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LTspiceを使ってみよう -「FFT」を使って周波数分析!

LTspice を使ってみようシリーズ では、LTspice の使い方についてご紹介しています。

LTspiceを使ってみようシリーズ 一覧はこちら

時間軸解析であるTRAN解析では、オシロスコープのように時間変化における信号レベルの確認ができます。
一方、信号に含まれている周波数成分を確認したい際には、FFT機能を使うと便利です。回路の歪やノイズ成分をシュミレーションで確認することができます。

今回はこのFFT機能をご紹介させていただきます。

FFTとは?

FFT(Fast Fourier Transform)は高速フーリエ変換のことで、計算機上で高速に計算するアルゴリズムをさします。

SPICEではスペクトルアナライザのように信号に含まれている周波数成分とレベル(電力)を表示する機能となります。FFT機能はTRAN解析(時間軸)で得られたデータを基にして計算を実行するので、Waveform Viewerに組み込まれている機能となります。

FFT機能を使ってみよう!

作業手順

今回は例題として、周波数と大きさが異なる3つの正弦波を合成した信号波形をTRAN解析で確認し、FFT表示機能を使い周波数の分布を確認してみます。

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正弦波の合成波形を出す回路(TRAN解析)

TRAN解析の結果は下図の通りです。
このOUT端子の波形を見るだけでは周波数成分と大きさがわかりません。

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正弦波の合成波形(OUT端子)

そこでFFT表示機能を使ってみます。
メニューバーからView→FFTを選択します。

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FFT表示方法その1

そうすると、下図のようなボックスがでてきますので、通常は「OK」をそのまま押してください。

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FFT表示の方法その2

FFT表示結果は下図のとおりです。

縦軸が信号レベル(dB)、横軸が周波数(Hz)の対数グラフが得られました。
周波数1kHz、3kHz、10kHzのところにピークがあり、波形の成分と大きさを把握することができました。

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FFT表示結果

使い方のポイント

FFT機能を使う時は “.options plotwinsize=0” のコマンドを設定することを推奨します。
解析結果出力の圧縮を禁止し、ノイズフロアを下げた結果が得られます。

またTRANコマンドの “Maximum Time Step” を信号の一周期の1/100よりも短くすると、良好なFFTの結果が得られます。ただし、短く設定するとシュミレーション時間が少しかかりますので、バランスをみて調整してください。

ためしに.options でのplotwinsize指定がなく、Maximum Time Stepもデフォルトのままでシュミレーションした結果を載せておきます。
正弦波の合成波形のFFTにも関わらずベースのノイズフロアが大きく、意図しない周波数でピークも見えています。

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FFT表示結果(plotwinsize指定なし、MaxiumTimeStepデフォルト設定)

電源ICの出力電圧信号をFFTで見てみよう!

以前、LTspiceを使ってみよう - DC-DCコンバータの動作確認 では、出力電圧のリップル電圧のレベルを確認しましたので、FFT機能で周波数成分も確認したいと思います。

回路はLT8640のDemoファイルを使います。FFT解析では定常状態での結果が必要なため、電源が立ち上がった後のリプル電圧を確認します。そのためTRAN解析のシュミレーション時間を500u~700usecにしました。

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LT8640を使って出力電圧の周波数解析をシミレーション

出力電圧のリップル成分は下図の通りです。

FFT解析をすると、1MHzのスイッチング周波数成分だけでなく、2倍、3倍と偶数および奇数の周波数成分が含まれていることが確認できます。

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出力電圧波形(時間軸)

 

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出力電圧波形(周波数軸)

電源回路からのノイズは周辺回路やEMI試験に影響を与える場合があります。
FFT機能を使い周波数成分を把握することで、フィルタ設計などのノイズ対策をシュミレーションで検討することができます。

ぜひ、この機会にFFT機能を試してみてください!

今回検証したLTspiceデモ・ファイル

FFT_Simulation__1.zip

今回実施した2つのシュミレーションファイルが格納されています。是非お試しください!

最後に

今回はFFT機能をご紹介させていただきました!

まだLTspiceを使ったことがない方は、下記のリンクよりLTspiceをダウンロードしてみてください!
ぜひ、一度お試しください。

LTspiceのダウンロードはこちら


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