原理圖和布局中的RLC電路分析

2020-12-07

RLC電路不僅是電子學(xué)類(lèi)別的基本電路，它們還提供了一種語(yǔ)言來(lái)解釋具有電抗性的任何線(xiàn)性電氣系統的行為。所有RLC電路都可以由電阻器，電容器和電感器組成，這些模型可以用于對線(xiàn)性時(shí)不變（LTI）系統中的電性能進(jìn)行建模。您可能要建模的系統中可能沒(méi)有任何實(shí)際的電容器或電感器，但是無(wú)論如何它可能都表現出電容性或電感性阻抗。

當您需要分析真實(shí)的RLC電路，或者需要分析更復雜的電氣系統（例如，一組傳輸線(xiàn)）的模型時(shí)，只要可以為系統構建RLC模型，就可以使用同一組分析工具。您使用的RLC模型為您提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)檢查電路模型中的脈沖響應，級聯(lián)和傳遞函數。這是創(chuàng )建RLC模型的方法，以及可以使用正確的分析工具在電路模型中檢查的內容。

從PCB布局到RLC電路模型

為復雜的電氣系統建立電路模型需要一定的經(jīng)驗和遠見(jiàn)，將真實(shí)的電路元件和寄生電路結合起來(lái)以形成等效的RLC網(wǎng)絡(luò )。真實(shí)的LTI系統可以建模為RLC網(wǎng)絡(luò )，因為電阻器，電容器和電感器是描述電路中的電壓和電荷如何與電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互作用的基本電路元件。

一個(gè)系統的RLC模型只有在包含實(shí)際電路元素和寄生電容的情況下才能完成。在一起使用時(shí)，寄生效應會(huì )與您設計的RLC網(wǎng)絡(luò )中的理想電氣行為產(chǎn)生一些偏差。RLC電路分析的一部分是檢查這兩個(gè)點(diǎn)的作用，以便更好地了解實(shí)際PCB布局的電氣性能。

PCB布局中的寄生蟲(chóng)

盡管我們希望原理圖能夠完美地表示PCB布局中的真實(shí)電路，但事實(shí)并非如此。預期的電路元件之間的R，L和C元件無(wú)意間產(chǎn)生了寄生效應。這些元件有時(shí)以復雜的方式組合并增加電路的總阻抗。您可以在以下區域的PCB布局中發(fā)現不同的寄生元件：

平行導體：兩根導體平行放置時(shí)，它們會(huì )有一定的寄生電容。當導體之間存在一些非零電位時(shí)，位移電流將在它們之間流動(dòng)，從而增加電路中的總電流。 

電流環(huán)路：導體的任何環(huán)路（包括平面和具有一定阻抗的導體橋）都會(huì )具有一些寄生電感。然后，任何交變磁場(chǎng)都可以在導體回路中感應出電流。這可以說(shuō)是低EMI抗擾性的最常見(jiàn)原因之一。 

直流電阻：任何傳導電流的導體也將具有一定的直流電阻，這會(huì )增加系統的總阻抗。

顯然，PCB布局中的環(huán)境會(huì )在原理圖中的實(shí)際電路中添加一些R，L和C元素，并且由此產(chǎn)生的電路行為可能會(huì )非常復雜。從物理上講，這些寄生因素會(huì )影響諸如傳輸線(xiàn)阻抗，焊盤(pán)電容，過(guò)孔電感以及實(shí)際PCB布局中的其他眾所周知的影響。確定了PCB布局中的哪些位置以及RLC電路模型中的位置之后，您就可以從原理圖中進(jìn)行仿真來(lái)檢查電氣性能。

RLC電路分析中要模擬的內容

SPICE仿真構成了RLC電路分析的基礎，既用于提取寄生元件的值，又用于檢查電性能。作為RLC電路分析的一部分，應執行一些基本仿真：

瞬態(tài)分析：PCB中的實(shí)際系統由一系列輸入驅動(dòng)；這些不僅僅是直流或諧波交流電源。在時(shí)域中仿真電路響應是RLC電路分析的核心部分。此處的目標是從視覺(jué)上確定系統的相位延遲，增益/損耗以及由于系統的電抗性阻抗引起的整體信號失真。 

傳遞函數：傳遞函數顯示RLC電路模型中的交流頻率響應，可用于確定特定頻率下電路的輸出。一個(gè)相關(guān)的仿真是零極點(diǎn)分析，它可以在單個(gè)仿真中返回諧振頻率和阻尼常數。

參數掃描：此仿真全部與提取寄生物和優(yōu)化設計有關(guān)。通過(guò)遍歷一系列值，您可以看到寄生或電路元件的值對信號指標（例如，電壓或電流，信號失真，相位延遲等）的影響如何。

無(wú)論您是在布局前分析電路，還是確定布局后的寄生效應，都可以使用這些核心仿真來(lái)更好地理解RLC電路。

下圖顯示了在具有多個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò )的電路中典型的頻率掃描仿真的結果。對于單個(gè)RLC網(wǎng)絡(luò )，您可能能夠輕松計算出電路的諧振頻率，但是在可能存在寄生的真實(shí)RLC網(wǎng)絡(luò )中，這并不容易。在這里，我們可以輕松地看到網(wǎng)絡(luò )中的預期諧振頻率（?505 MHz），以及網(wǎng)絡(luò )中額外的意外的高Q諧振，以及低頻處的一些復雜的帶通行為。

RLC電路分析頻率掃描結果可用于進(jìn)一步的電路優(yōu)化。

如果您的電路是高速或高頻電氣系統的一部分，則通常需要提取RLC網(wǎng)絡(luò )的S參數。一旦有了S參數，就可以將它們轉換為ABCD參數，這使您很容易看到電路模型如何適合級聯(lián)電路網(wǎng)絡(luò )。到目前為止，使用ABCD參數是檢查高速和高頻電路中脈沖響應和高頻響應的最簡(jiǎn)單方法。