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回路の素101 019 2次ロー・パス・フィルタ LC型

電気回路 LTspice Python

回路の素101 019 2次ロー・パス・フィルタ LC型

減衰率40dB/dec
シンプルな構成

回路図作成

  • 基本的な構成

カットオフ周波数 f_c は下記で設定できる

f_c = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L C}}

今回の回路の場合、28kHz

応答性確認

100Hz入力

シミュレーションを tranモード(デフォルト) で実行し、応答を見る

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

from PyLTSpice import RawRead

fig = plt.figure(figsize=(6, 3))
ax1 = fig.add_subplot(1, 1, 1)

fname = 'PrimaryCircuit2-019.raw'
LTR = RawRead(fname)
x     = LTR.get_trace('time').get_time_axis(0)

tmp1  = LTR.get_trace('V(vin+)').get_wave(0)
ax1.plot(x * 1000, tmp1, label='Vin+')
tmp1  = LTR.get_trace('V(vout)').get_wave(0)
ax1.plot(x * 1000, tmp1, label='Vout')

ax1.legend(); ax1.grid()
ax1.set_xlabel('[ms]'); ax1.set_ylabel('[V]')

fig.tight_layout()

fig.savefig('PrimaryCircuit2-019_Graph1.png')

3kHzに対しては、ゲインも1で、位相もほとんど変化しない

28kHz入力

信号源の周波数設定と、シミュレーションのパラメータを変更する

from PyLTSpice import SimCommander

fname = 'PrimaryCircuit2-019'
fname_tmp = '_28kHz'
LTC = SimCommander(fname + '.asc')

line_no = LTC._get_line_starting_with('V1')
sim_cmd = LTC.netlist[line_no]
LTC.netlist[line_no] = sim_cmd.replace('3k', '28k')
print(LTC.netlist[line_no], end='')  # 確認
line_no = LTC._get_line_starting_with('.tran')
LTC.netlist[line_no] = LTC.netlist[line_no].replace('1m', '200u')
print(LTC.netlist[line_no], end='')  # 確認

# 編集したnetlistの情報でバッチ処理を実行する
run_net_file = fname + fname_tmp + '.net'
LTC.run(run_filename=run_net_file)
LTC.wait_completion()

V1 Vin+ 0 SINE(0 1.5 28k) AC 1
.tran 0 200u 0 10n
True
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

from PyLTSpice import RawRead

fig = plt.figure(figsize=(6, 3))
ax1 = fig.add_subplot(1, 1, 1)

LTR = RawRead(fname + fname_tmp + '.raw')
x     = LTR.get_trace('time').get_time_axis(0)

tmp1  = LTR.get_trace('V(vin+)').get_wave(0)
ax1.plot(x * 1000, tmp1, label='Vin+')
tmp1  = LTR.get_trace('V(vout)').get_wave(0)
ax1.plot(x * 1000, tmp1, label='Vout')

ax1.legend(); ax1.grid()
ax1.set_xlabel('[ms]'); ax1.set_ylabel('[V]')

fig.tight_layout()

fig.savefig('PrimaryCircuit2-019_Graph2.png')

ゲインは0.7倍、位相は90度遅れている

300kHz

信号源の周波数設定と、シミュレーションのパラメータを変更する

from PyLTSpice import SimCommander

fname = 'PrimaryCircuit2-019'
fname_tmp = '_300kHz'
LTC = SimCommander(fname + '.asc')

line_no = LTC._get_line_starting_with('V1')
sim_cmd = LTC.netlist[line_no]
LTC.netlist[line_no] = sim_cmd.replace('3k', '300k')
print(LTC.netlist[line_no], end='')  # 確認
line_no = LTC._get_line_starting_with('.tran')
LTC.netlist[line_no] = LTC.netlist[line_no].replace('1m', '100u')
LTC.netlist[line_no] = LTC.netlist[line_no].replace('10n', '1n')
print(LTC.netlist[line_no], end='')  # 確認

# 編集したnetlistの情報でバッチ処理を実行する
run_net_file = fname + fname_tmp + '.net'
LTC.run(run_filename=run_net_file)
LTC.wait_completion()

V1 Vin+ 0 SINE(0 1.5 300k) AC 1
.tran 0 100u 0 1n
True
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

from PyLTSpice import RawRead

fig = plt.figure(figsize=(6, 4))
ax1 = fig.add_subplot(2, 1, 1)
ax2 = fig.add_subplot(2, 1, 2, sharex=ax1)

LTR = RawRead(fname + fname_tmp + '.raw')
x     = LTR.get_trace('time').get_time_axis(0)

tmp1  = LTR.get_trace('V(vin+)').get_wave(0)
ax1.plot(x * 1000, tmp1, label='Vin+')
tmp1  = LTR.get_trace('V(vout)').get_wave(0)
ax2.plot(x * 1000, tmp1, label='Vout')

ax1.legend(); ax1.grid()
ax1.set_xlabel('[ms]'); ax1.set_ylabel('[V]')

ax2.legend(); ax2.grid()
ax2.set_xlabel('[ms]'); ax2.set_ylabel('[V]')

fig.tight_layout()

fig.savefig('PrimaryCircuit2-019_Graph3.png')

ゲインは0.01倍、位相は180度遅れている

方形波応答

from PyLTSpice import SimCommander

fname = 'PrimaryCircuit2-019'
fname_tmp = '_pulse'
LTC = SimCommander(fname + '.asc')

line_no = LTC._get_line_starting_with('V1')
sim_cmd = LTC.netlist[line_no]
LTC.netlist[line_no] = sim_cmd.replace('SINE(0 1.5 3k)', 'PULSE(0 1 50u 0 0 50u 100u)')
print(LTC.netlist[line_no], end='')  # 確認
line_no = LTC._get_line_starting_with('.tran')
LTC.netlist[line_no] = LTC.netlist[line_no].replace('1m', '200u')
LTC.netlist[line_no] = LTC.netlist[line_no].replace('10n', '0.1n')
print(LTC.netlist[line_no], end='')  # 確認

# 編集したnetlistの情報でバッチ処理を実行する
run_net_file = fname + fname_tmp + '.net'
LTC.run(run_filename=run_net_file)
LTC.wait_completion()

V1 Vin+ 0 PULSE(0 1 50u 0 0 50u 100u) AC 1
.tran 0 200u 0 0.1n
True
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

from PyLTSpice import RawRead

fig = plt.figure(figsize=(6, 3))
ax1 = fig.add_subplot(1, 1, 1)

LTR = RawRead(fname + fname_tmp + '.raw')
x     = LTR.get_trace('time').get_time_axis(0)

tmp1  = LTR.get_trace('V(vin+)').get_wave(0)
ax1.plot(x * 1000, tmp1, label='Vin+')
tmp1  = LTR.get_trace('V(vout)').get_wave(0)
ax1.plot(x * 1000, tmp1, label='Vout')

ax1.legend(); ax1.grid()
ax1.set_xlabel('[ms]'); ax1.set_ylabel('[V]')

fig.tight_layout()

fig.savefig('PrimaryCircuit2-019_Graph4.png')

入力に遅れて応答している
小さなオーバーシュートが発生している

周波数特性

Vin+(V1) に AC 1の設定がついているので、シミュレーションモードをacにすれば良い
負荷の抵抗を4,6,8,10Ωに変えて実施する

from PyLTSpice import SimCommander

fname = 'PrimaryCircuit2-019'
fname_tmp = '_ac'
LTC = SimCommander(fname + '.asc')

line_no = LTC._get_line_starting_with('.tran')
sim_cmd = LTC.netlist[line_no]
LTC.netlist[line_no] = sim_cmd.replace('.tran', ';tran')
line_no = LTC._get_line_starting_with(';ac')
sim_cmd = LTC.netlist[line_no]
LTC.netlist[line_no] = sim_cmd.replace(';ac', '.ac')
print(LTC.netlist[line_no], end='')  # 確認

for param in [4, 6, 8, 10]:
    line_no = LTC._get_line_starting_with('R1')
    LTC.netlist[line_no] = 'R1 Vout 0 %d\n' % param
    print(LTC.netlist[line_no], end='')  # 確認

    # 編集したnetlistの情報でバッチ処理を実行する
    run_net_file = fname + fname_tmp + 'R%d' % param + '.net'
    LTC.run(run_filename=run_net_file)
    LTC.wait_completion()

.ac oct 40 1k 100k
R1 Vout 0 4
R1 Vout 0 6
R1 Vout 0 8
R1 Vout 0 10
from PyLTSpice import RawRead

fig = plt.figure(figsize=(6, 4))
ax1 = fig.add_subplot(2, 1, 1)
ax2 = fig.add_subplot(2, 1, 2, sharex=ax1)

fname = 'PrimaryCircuit2-019'
fname_tmp = '_ac'

for param in [4, 6, 8, 10]:
    LTR = RawRead(fname + fname_tmp + 'R%d' % param + '.raw')
    freq  = np.abs(LTR.get_trace('frequency').get_wave(0))
    Vout  = LTR.get_trace("V(vout)").get_wave(0)
    ax1.plot(freq, 20*np.log10(np.abs(Vout)), label='%dΩ' % param)
    ax2.plot(freq, np.angle(Vout) / np.pi * 180)

ax1.grid()
ax1.set_xlabel("[Hz]"); ax1.set_ylabel("Gain[dB]")
ax1.set_xscale('log')
ax1.set_ylim(-25, 5)

ax2.grid()
ax2.set_xlabel("[Hz]"); ax2.set_ylabel("Phase[deg]")
ax2.set_xscale('log')
ax2.set_ylim(-180, 0)

ax1.legend()

fig.tight_layout()

fig.savefig('PrimaryCircuit2-019_Graph5.png')

負荷抵抗が変わると、周波数特性も変化する

参考文献

この記事は以下の書籍を参考にしましたが、
私の拙い知識で書いておりますので、誤り等ありましたらご指摘ください

回路の素101 (ライブラリ・シリーズ)

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