原理(lǐ)图和布局中的RLC電(diàn)路分(fēn)析

2020-12-07

RLC電(diàn)路不仅是電(diàn)子學(xué)类别的基本電(diàn)路，它们还提供了一种语言来解释具有(yǒu)電(diàn)抗性的任何線(xiàn)性電(diàn)气系统的行為(wèi)。所有(yǒu)RLC電(diàn)路都可(kě)以由電(diàn)阻器，電(diàn)容器和電(diàn)感器组成，这些模型可(kě)以用(yòng)于对線(xiàn)性时不变（LTI）系统中的電(diàn)性能(néng)进行建模。您可(kě)能(néng)要建模的系统中可(kě)能(néng)没有(yǒu)任何实际的電(diàn)容器或電(diàn)感器，但是无论如何它可(kě)能(néng)都表现出電(diàn)容性或電(diàn)感性阻抗。

当您需要分(fēn)析真实的RLC電(diàn)路，或者需要分(fēn)析更复杂的電(diàn)气系统（例如，一组传输線(xiàn)）的模型时，只要可(kě)以為(wèi)系统构建RLC模型，就可(kě)以使用(yòng)同一组分(fēn)析工具。您使用(yòng)的RLC模型為(wèi)您提供了一种简单的方法来检查電(diàn)路模型中的脉冲响应，级联和传递函数。这是创建RLC模型的方法，以及可(kě)以使用(yòng)正确的分(fēn)析工具在電(diàn)路模型中检查的内容。

从PCB布局到RLC電(diàn)路模型

為(wèi)复杂的電(diàn)气系统建立電(diàn)路模型需要一定的经验和遠(yuǎn)见，将真实的電(diàn)路元件和寄生電(diàn)路结合起来以形成等效的RLC网络。真实的LTI系统可(kě)以建模為(wèi)RLC网络，因為(wèi)電(diàn)阻器，電(diàn)容器和電(diàn)感器是描述電(diàn)路中的電(diàn)压和電(diàn)荷如何与電(diàn)场和磁场相互作用(yòng)的基本電(diàn)路元件。

一个系统的RLC模型只有(yǒu)在包含实际電(diàn)路元素和寄生電(diàn)容的情况下才能(néng)完成。在一起使用(yòng)时，寄生效应会与您设计的RLC网络中的理(lǐ)想電(diàn)气行為(wèi)产生一些偏差。RLC電(diàn)路分(fēn)析的一部分(fēn)是检查这两个点的作用(yòng)，以便更好地了解实际PCB布局的電(diàn)气性能(néng)。

PCB布局中的寄生虫

尽管我们希望原理(lǐ)图能(néng)够完美地表示PCB布局中的真实電(diàn)路，但事实并非如此。预期的電(diàn)路元件之间的R，L和C元件无意间产生了寄生效应。这些元件有(yǒu)时以复杂的方式组合并增加電(diàn)路的总阻抗。您可(kě)以在以下區(qū)域的PCB布局中发现不同的寄生元件：

平行导體(tǐ)：两根导體(tǐ)平行放置时，它们会有(yǒu)一定的寄生電(diàn)容。当导體(tǐ)之间存在一些非零電(diàn)位时，位移電(diàn)流将在它们之间流动，从而增加電(diàn)路中的总電(diàn)流。 

電(diàn)流环路：导體(tǐ)的任何环路（包括平面和具有(yǒu)一定阻抗的导體(tǐ)桥）都会具有(yǒu)一些寄生電(diàn)感。然后，任何交变磁场都可(kě)以在导體(tǐ)回路中感应出電(diàn)流。这可(kě)以说是低EMI抗扰性的最常见原因之一。 

直流電(diàn)阻：任何传导電(diàn)流的导體(tǐ)也将具有(yǒu)一定的直流電(diàn)阻，这会增加系统的总阻抗。

显然，PCB布局中的环境会在原理(lǐ)图中的实际電(diàn)路中添加一些R，L和C元素，并且由此产生的電(diàn)路行為(wèi)可(kě)能(néng)会非常复杂。从物(wù)理(lǐ)上讲，这些寄生因素会影响诸如传输線(xiàn)阻抗，焊盘電(diàn)容，过孔電(diàn)感以及实际PCB布局中的其他(tā)众所周知的影响。确定了PCB布局中的哪些位置以及RLC電(diàn)路模型中的位置之后，您就可(kě)以从原理(lǐ)图中进行仿真来检查電(diàn)气性能(néng)。

RLC電(diàn)路分(fēn)析中要模拟的内容

SPICE仿真构成了RLC電(diàn)路分(fēn)析的基础，既用(yòng)于提取寄生元件的值，又(yòu)用(yòng)于检查電(diàn)性能(néng)。作為(wèi)RLC電(diàn)路分(fēn)析的一部分(fēn)，应执行一些基本仿真：

瞬态分(fēn)析：PCB中的实际系统由一系列输入驱动；这些不仅仅是直流或谐波交流電(diàn)源。在时域中仿真電(diàn)路响应是RLC電(diàn)路分(fēn)析的核心部分(fēn)。此处的目标是从视觉上确定系统的相位延迟，增益/损耗以及由于系统的電(diàn)抗性阻抗引起的整體(tǐ)信号失真。 

传递函数：传递函数显示RLC電(diàn)路模型中的交流频率响应，可(kě)用(yòng)于确定特定频率下電(diàn)路的输出。一个相关的仿真是零极点分(fēn)析，它可(kě)以在单个仿真中返回谐振频率和阻尼常数。

参数扫描：此仿真全部与提取寄生物(wù)和优化设计有(yǒu)关。通过遍历一系列值，您可(kě)以看到寄生或電(diàn)路元件的值对信号指标（例如，電(diàn)压或電(diàn)流，信号失真，相位延迟等）的影响如何。

无论您是在布局前分(fēn)析電(diàn)路，还是确定布局后的寄生效应，都可(kě)以使用(yòng)这些核心仿真来更好地理(lǐ)解RLC電(diàn)路。

下图显示了在具有(yǒu)多(duō)个RLC网络的電(diàn)路中典型的频率扫描仿真的结果。对于单个RLC网络，您可(kě)能(néng)能(néng)够轻松计算出電(diàn)路的谐振频率，但是在可(kě)能(néng)存在寄生的真实RLC网络中，这并不容易。在这里，我们可(kě)以轻松地看到网络中的预期谐振频率（〜505 MHz），以及网络中额外的意外的高Q谐振，以及低频处的一些复杂的带通行為(wèi)。

RLC電(diàn)路分(fēn)析频率扫描结果可(kě)用(yòng)于进一步的電(diàn)路优化。

如果您的電(diàn)路是高速或高频電(diàn)气系统的一部分(fēn)，则通常需要提取RLC网络的S参数。一旦有(yǒu)了S参数，就可(kě)以将它们转换為(wèi)ABCD参数，这使您很(hěn)容易看到電(diàn)路模型如何适合级联電(diàn)路网络。到目前為(wèi)止，使用(yòng)ABCD参数是检查高速和高频電(diàn)路中脉冲响应和高频响应的最简单方法。