使用LTspice的FFT进行频率分析

2022年02月14日

文章来源

Macnica Engineer

在试着使用LTspice系列中，我们简单介绍了LTspice的用法。

在TRAN分析的一种基于时间轴的分析中，可以像示波器一样查看信号电平随时间的变化。
另一方面，当你想要查看一个信号的频率成分时，FET功能是很有用的，并且通过仿真你可以查看电路的失真和噪声成分。这次我来介绍一下这个FFT功能。

一、什么是FFT

FFT(Fast Fourier Transform)是指高速傅里叶变换,是一种在计算机上进行高速计算的算法。

SPICE可以像频谱分析仪那样展示信号的频率成分和电平（功率）。由于FFT功能是以TRAN分析(时间轴)所得到的数据为基础进行计算的,所以它是嵌入在Waveform Viewer中的。

步骤

这次我们以一个由3个不同频率和幅值的正弦波合成的信号为例，用TRAN分析来查看其波形，并采用FET显示功能来确认其频率分布。

TRAN分析的结果如下图所示。
只看这个OUT端子的波形是无法知道频率成分和大小的。

所以让我们来尝试使用FFT显示功能。从菜单栏中选择View → FFT。

然后会弹出下图所示的对话框，通常选择 “OK”。

FFT显示结果如下图所示。

我们得到了一个对数曲线，纵轴表示信号幅度（dB）,横轴表示信号频率（Hz）。
峰值位于1kHz、3kHz、10kHz处，这样我们就能掌握波形的成分和大小。

使用FFT功能时，建议设置".options plotwinsize=0"命令。这样可以防止分析的结果被压缩，并降低本底噪声。

另外，如果TRAN命令的"最大时间步长"短于一个信号周期的1/100,则可以得到良好的FFT结果。然而，更短的时间设定会带来更长的仿真时间，所以请根据需要来权衡调整。

当我没有在选项中设定plotwinsize，并以默认的最大时间步长来仿真时。即使是复合正弦波，也可以看到FET分析的结果中本底噪声的基底较大，并且在非预期的频率处也存在峰值。

之前在”试着使用LTspice-直流-直流转换器的动作确认” 一文中已经观察了输出纹波电压的水平，这次我们用FFT功能查看其频率成分。以LT8640的Demo文件作为仿真电路，FFT分析需要稳定状态下的结果，因此在电源启动后需要确认纹波电压。

通过FFT分析,可以看到不仅包含1MHz的开关频率成分,还包含2倍、3倍甚至其他奇数倍的频率成分。

输出电压的纹波成分如下图所示。

电源电路的噪音会影响周边电路和EMI测试。可以通过仿真来研究一些噪声的对策，如滤波器设计等。请趁此机会尝试下FFT功能。

此次验证的LTspice演示文件 FFT_Simulation__1.zip 收藏了这次运行的2个仿真文件。

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