電路設計中瞬態(tài)信號分析的工具

2021-06-25

電路設計中瞬態(tài)信號分析的工具

PCB 中互連和電源軌上的瞬態(tài)響應是位錯誤、時(shí)序抖動(dòng)和其他信號完整性問(wèn)題的來(lái)源。您可以通過(guò)瞬態(tài)信號分析確定在設計完美電路的過(guò)程中要采取哪些設計步驟。

可以手動(dòng)檢查和計算簡(jiǎn)單電路中的瞬態(tài)信號分析，從而繪制隨時(shí)間變化的瞬態(tài)響應。手動(dòng)分析更復雜的電路可能很困難。相反，您可以在原理圖設計期間使用模擬器進(jìn)行時(shí)域瞬態(tài)信號分析。如果您使用正確的設計軟件，您甚至不需要編碼技能。

在電路設計中定義瞬態(tài)

形式上，瞬態(tài)可能發(fā)生在電路中，這些電路可以寫(xiě)成一組耦合的一階線(xiàn)性或非線(xiàn)性微分方程（自主或非自主）。瞬態(tài)響應可以通過(guò)多種方式確定。在我看來(lái)，您可以使用 Poincare-Bendixson 定理輕松確定瞬態(tài)響應的類(lèi)型和存在性，對于任何一組耦合方程都可以輕松地手動(dòng)計算出該定理。如果這些類(lèi)型的操作不是您的專(zhuān)長(cháng)，請不要擔心；您可以使用基于 SPICE 的電路模擬器檢查時(shí)域中的瞬態(tài)行為。

沒(méi)有反饋的時(shí)不變電路中的瞬態(tài)響應屬于以下三種狀態(tài)之一：

過(guò)阻尼：緩慢衰減響應，無(wú)振蕩

臨界阻尼：無(wú)振蕩的最快衰減響應

欠阻尼：衰減的振蕩響應

這些響應在時(shí)域仿真的輸出中很容易看到。您可以使用 SPICE 仿真器直接從原理圖中執行瞬態(tài)信號分析。

時(shí)域瞬態(tài)信號分析工具

探索瞬態(tài)信號分析和檢查電路行為的最簡(jiǎn)單方法是使用時(shí)域仿真。這種類(lèi)型的模擬使用 Newton-Raphson 方法或數值積分方法在時(shí)域中求解電路的基爾霍夫定律，具體取決于被模擬電路的形式。這些和其他方法都集成到基于 SPICE 的模擬器中，不需要顯式調用。另一種瞬態(tài)分析方法涉及對電路進(jìn)行拉普拉斯變換來(lái)識別電路的極點(diǎn)和零點(diǎn)。

在電路仿真方面，您可以直接從原理圖運行瞬態(tài)信號分析仿真。這需要考慮電路行為的兩個(gè)方面：

驅動(dòng)信號。這定義了引起瞬態(tài)響應的輸入電壓/電流水平的變化。這可能涉及兩個(gè)信號電平（即開(kāi)關(guān)數字信號）之間的變化、當前輸入信號電平的下降或尖峰、或驅動(dòng)信號的任何其他任意變化。您可以考慮使用正弦信號或任意周期波形進(jìn)行驅動(dòng)。您還可以考慮信號在兩個(gè)電平之間切換時(shí)的有限上升時(shí)間。

初始條件。這定義了驅動(dòng)信號波動(dòng)或驅動(dòng)波形打開(kāi)時(shí)電路的狀態(tài)。這假設在時(shí)間 t = 0 時(shí)，電路最初處于穩態(tài)（即，電路中沒(méi)有先前的瞬態(tài)響應）。如果未指定初始條件，則假定電壓和電流在 t = 0 時(shí)為零。

用于在 Altium Designer 中進(jìn)行瞬態(tài)信號分析的模擬輸入電壓下降的簡(jiǎn)單電路

運行模擬后，您將看到一個(gè)覆蓋輸入信號和輸出的輸出，讓您可以準確了解信號電平的不同變化如何產(chǎn)生瞬態(tài)響應。開(kāi)關(guān)數字信號的示例如下所示。在這個(gè)電路中，我們假設初始條件未指定。由于響應欠阻尼，電流中的瞬態(tài)響應表現出嚴重的過(guò)沖和下沖。這里的一種解決方案是在源頭添加一些串聯(lián)電阻以增加阻尼。更好的解決方案是降低電路中的電感或增加電容，以將響應帶入阻尼狀態(tài)。

瞬態(tài)信號分析結果示例

原理圖與布局后瞬態(tài)信號分析

上圖中的輸出類(lèi)似于您在反射波形仿真中看到的輸出，其中在布局后仿真中比較了入射波和反射波。這種情況的不同之處在于我們在原理圖中工作，它沒(méi)有考慮 PCB 中的寄生效應。在布局后仿真中，會(huì )考慮寄生效應，您的瞬態(tài)信號分析結果可能會(huì )通知您對布局或層堆棧的一些更改，以減少上述振鈴。

如果在傳輸線(xiàn)的布局后信號完整性仿真中看到上述結果，一種解決方案是降低互連中的環(huán)路電感并按比例降低電容。這將在不改變特性阻抗的情況下增加電路中的阻尼。這也會(huì )將電路中的諧振頻率移至更高的值，從而降低振鈴幅度。另一種選擇是在驅動(dòng)器處串聯(lián)終止。

零極點(diǎn)分析

時(shí)域仿真的替代方法是使用零極點(diǎn)分析。這種技術(shù)將電路帶入拉普拉斯域并計算電路中的極點(diǎn)和零點(diǎn)。這使您可以立即看到瞬態(tài)信號響應在電路中的表現。注意這種模擬在瞬態(tài)信號分析中仍然可以考慮初始條件，所以結果更一般。但是，您無(wú)法直接看到瞬態(tài)信號的幅度，因為您沒(méi)有明確考慮輸入波形的行為。

瞬態(tài)信號分析中的穩定性和不穩定性

這里要注意的最后一點(diǎn)是包含反饋的電路可能不穩定。在您將在 PCB 原理圖和布局中檢查的典型電路中，您幾乎總是會(huì )遇到穩定的瞬態(tài)信號。上面的示例顯示了穩定響應的樣子；盡管存在瞬態(tài)振蕩，但信號最終會(huì )衰減到穩定狀態(tài)。在具有強反饋的電路中，瞬態(tài)振蕩會(huì )變得不穩定并隨著(zhù)時(shí)間的推移而增長(cháng)。

放大器是一個(gè)眾所周知的例子，在這種情況下，熱波動(dòng)或強烈的欠阻尼響應會(huì )導致放大器的響應在存在強反饋的情況下變得不穩定和飽和。飽和的非線(xiàn)性時(shí)不變電路最終將迫使這種不穩定的增長(cháng)幅度穩定到一個(gè)恒定水平。

在瞬態(tài)信號分析中，您可以輕松發(fā)現時(shí)域中的不穩定性；這將在欠阻尼狀態(tài)下顯示為輸出中呈指數增長(cháng)的幅度。在零極點(diǎn)分析中，實(shí)部為正的極點(diǎn)表示電路中存在不穩定響應。如果零極點(diǎn)分析的結果告訴您存在不穩定的響應，那么您可以使用時(shí)域仿真來(lái)準確檢查該響應隨時(shí)間的變化情況。