電流如何加載影響信號

2020-05-18

使用簡(jiǎn)單的電路和簡(jiǎn)單的信號源，通常很明顯，不同的電路和負載如何影響電路輸出端的信號行為。對于更復雜的電路和寬帶模擬信號，信號本身如何受到電路本身的影響或電流負載如何影響信號的行為并不總是很明顯。盡管您可以手工解決信號行為的這些方面，但并不是每個(gè)人都是數學(xué)家，并且您將需要一些工具來(lái)加快復雜電路的分析速度。

頻域還是時(shí)域？

在分析信號行為時(shí)，選擇在頻域還是時(shí)域工作取決于要從設計中提取哪些信息。如果您使用數字信號驅動(dòng)電路，則通常不必擔心頻域中發(fā)生的事情，因為信號的功率譜是明確定義的。相反，您應該查看電路中信號的瞬態(tài)行為，以確保信號的上升時(shí)間在規格范圍內。

使用寬帶信號或諧波信號時(shí)，是否需要在頻域或時(shí)域中工作取決于您的特定應用。最有可能的是，您將需要確定兩種情況下的信號行為。這些類(lèi)型的仿真的目的是檢查輸入信號在時(shí)域中是否沒(méi)有過(guò)度失真，以及一旦信號到達負載，是否保留了信號的頻率內容。

這是處理不同類(lèi)型信號時(shí)要檢查的一些重要點(diǎn)。您需要跟蹤負載組件上的信號（負載兩端的電壓或進(jìn)入負載的電流）。

 

當您將負載添加到現有電路時(shí)，負載會(huì )耦合回該電路并創(chuàng )建一個(gè)新的等效電路。這意味著(zhù)您不僅可以單獨模擬負載組件，還需要將其添加到電路中并模擬整個(gè)系統。這是直接在原理圖中使用電路仿真工具中的電阻性和電抗性負載輕松實(shí)現此目的的方法

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電流負載如何影響信號：電阻負載和無(wú)功負載

由于單個(gè)組件無(wú)法單獨檢查各個(gè)組件對輸入波形的影響，因此我們必須在較大的電路中查看這些組件。下圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，其中的FM源（1 A，1 kHz，調制指數為4）連接到Pi濾波器和電阻負載（R2）。這種類(lèi)型的信號源具有很強的調制能力，在時(shí)域中很容易看出來(lái)，但是R2的時(shí)間行為并不總是很明顯。下面的Pi濾波器用作低通濾波器，但也可以通過(guò)互換電容器和電感器將其更改為高通濾波器。

具有50 Ohm輸出阻抗的FM源連接到Pi濾波器和下游負載（R2）

由于負載是電阻性的，因此與源波形相比，我們應該期望簡(jiǎn)單的低通濾波和負載處波形的相移。該濾波器的截止頻率為?2.3 MHz，因此我們不應期望源的載波頻率出現嚴重衰減。但是，源上的電阻輸出（R1 = 50 Ohms）將影響瞬態(tài)響應，并會(huì )改變傳遞函數。通過(guò)查看時(shí)域和頻域中負載處的波形，可以看到負載和任何上游電路如何改變信號行為。

下圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的瞬態(tài)分析，它比較了源電流波形（綠色）和負載電流（紅色）。我們可以看到瞬態(tài)響應在前約1 ms內消失，并且負載處的波形在以后的所有時(shí)間都保持一致。顯然，信號電平會(huì )有所衰減，但這主要是由于Pi網(wǎng)絡(luò )和負載的綜合阻抗，而不僅僅是負載本身。

時(shí)域中源（綠色）和負載（紅色）處的電流波形

在此仿真中要考慮的重要一點(diǎn)是時(shí)域中的分辨率。在此，分辨率設置為10μs，即載波頻率振蕩周期的1％。在上述跡線(xiàn)中，每1 ms周期總共有1000個(gè)數據點(diǎn)。在PSpice中，創(chuàng )建模擬配置文件時(shí)可以輕松設置這些模擬參數。

連續頻域仿真結果

當您想在頻域中比較源信號和負載信號時(shí)，可以對上述結果進(jìn)行傅立葉變換。為了真正了解信號中不同頻率分量的影響，您應該對負載處的電流波形進(jìn)行歸一化，以使峰值負載電流等于時(shí)域中的峰值源電流。下圖顯示了電路如何在頻域中影響FM信號。在紅色軌跡中，會(huì )出現輕微的滾降，但這不是由于Pi濾波器的傳遞函數引起的，因為我們正在處理低頻信號。

源波形（綠色）和負載波形（紅色）中的頻率內容。請注意，負載電流已通過(guò)最大值進(jìn)行歸一化，以提供更好的比較

注意，以上模擬是在阻性負載下進(jìn)行的；頻域中的唯一衰減是由于Pi網(wǎng)絡(luò )引起的，而時(shí)域信號中的較大減小是由于負載電阻引起的。為了檢查電抗性負載會(huì )發(fā)生什么，下面的示意圖已用電感性負載L2代替了電阻性負載R2。

具有50 Ohm輸出阻抗的FM源連接到Pi濾波器和下游負載（R2）

新負載具有高電感，在載波頻率下的阻抗為62.83i歐姆，遠低于原始的1000歐姆電阻。當我們再次運行仿真時(shí)，我們會(huì )看到截然不同的結果。下圖顯示了該新電路的時(shí)域源和負載結果。

時(shí)域中源（綠色）和負載（紅色）處的電流波形

在這里，由于電路中的總電阻較小，負載組件處的瞬態(tài)響應會(huì )很快消失（在?0.1 ms之前）。在時(shí)域電流波形方面，我們看到在不同頻率下會(huì )產(chǎn)生一些諧振。這可以從紅色跡線(xiàn)（負載）與綠色跡線(xiàn)（源）的放大中看出。

在電路放大輸入調制信號的地方可能并不明顯。在這里，可以使用另一個(gè)傅里葉變換來(lái)提取每個(gè)信號中的頻率內容，并在頻譜圖上進(jìn)行比較。下圖比較了每個(gè)信號的傅立葉變換。

時(shí)域中源（綠色）和負載（紅色）處的電流波形

從這里，我們可以看到在峰2-4中存在寬帶放大，在峰3中放大明顯。如果考慮此修改原理圖中的布局，負載L2和輸出電容器C1形成具有諧振的LC諧振電路頻率為2.32 kHz。Pi濾波器中的其他組件會(huì )將這個(gè)諧振修改為較低的值，我們可以看到該諧振位于大約1.6 kHz。

超過(guò)?2.5 kHz的滾降也稍大?？梢灶A期這是由于以下事實(shí)：感性負載使Pi濾波器變成更復雜的4階濾波器，因此衰減應該更大。這可以通過(guò)用掃頻測量傳遞函數來(lái)研究。請注意，在負載位置連接和不連接L2的情況下都可以這樣做，這將允許比較兩個(gè)傳遞函數。

這應該表明負載組件的頻率相關(guān)行為將如何影響電路中的上游組件以及負載所看到的結果信號。在電阻性負載的情況下，電路中的電阻會(huì )提供一定的衰減，而Pi濾波器會(huì )產(chǎn)生一些相移并使輸入信號失真。當我們有感性負載時(shí)，電感會(huì )耦合回Pi濾波器，以創(chuàng )建更復雜的諧振頻譜。