電(diàn)路设计中瞬态信号分(fēn)析的工具

2021-06-25

電(diàn)路设计中瞬态信号分(fēn)析的工具

PCB 中互连和電(diàn)源轨上的瞬态响应是位错误、时序抖动和其他(tā)信号完整性问题的来源。您可(kě)以通过瞬态信号分(fēn)析确定在设计完美電(diàn)路的过程中要采取哪些设计步骤。

可(kě)以手动检查和计算简单電(diàn)路中的瞬态信号分(fēn)析，从而绘制随时间变化的瞬态响应。手动分(fēn)析更复杂的電(diàn)路可(kě)能(néng)很(hěn)困难。相反，您可(kě)以在原理(lǐ)图设计期间使用(yòng)模拟器进行时域瞬态信号分(fēn)析。如果您使用(yòng)正确的设计软件，您甚至不需要编码技能(néng)。

在電(diàn)路设计中定义瞬态

形式上，瞬态可(kě)能(néng)发生在電(diàn)路中，这些電(diàn)路可(kě)以写成一组耦合的一阶線(xiàn)性或非線(xiàn)性微分(fēn)方程（自主或非自主）。瞬态响应可(kě)以通过多(duō)种方式确定。在我看来，您可(kě)以使用(yòng) Poincare-Bendixson 定理(lǐ)轻松确定瞬态响应的类型和存在性，对于任何一组耦合方程都可(kě)以轻松地手动计算出该定理(lǐ)。如果这些类型的操作不是您的专長(cháng)，请不要担心；您可(kě)以使用(yòng)基于 SPICE 的電(diàn)路模拟器检查时域中的瞬态行為(wèi)。

没有(yǒu)反馈的时不变電(diàn)路中的瞬态响应属于以下三种状态之一：

过阻尼：缓慢衰减响应，无振荡

临界阻尼：无振荡的最快衰减响应

欠阻尼：衰减的振荡响应

这些响应在时域仿真的输出中很(hěn)容易看到。您可(kě)以使用(yòng) SPICE 仿真器直接从原理(lǐ)图中执行瞬态信号分(fēn)析。

时域瞬态信号分(fēn)析工具

探索瞬态信号分(fēn)析和检查電(diàn)路行為(wèi)的最简单方法是使用(yòng)时域仿真。这种类型的模拟使用(yòng) Newton-Raphson 方法或数值积分(fēn)方法在时域中求解電(diàn)路的基尔霍夫定律，具體(tǐ)取决于被模拟電(diàn)路的形式。这些和其他(tā)方法都集成到基于 SPICE 的模拟器中，不需要显式调用(yòng)。另一种瞬态分(fēn)析方法涉及对電(diàn)路进行拉普拉斯变换来识别電(diàn)路的极点和零点。

在電(diàn)路仿真方面，您可(kě)以直接从原理(lǐ)图运行瞬态信号分(fēn)析仿真。这需要考虑電(diàn)路行為(wèi)的两个方面：

驱动信号。这定义了引起瞬态响应的输入電(diàn)压/電(diàn)流水平的变化。这可(kě)能(néng)涉及两个信号電(diàn)平（即开关数字信号）之间的变化、当前输入信号電(diàn)平的下降或尖峰、或驱动信号的任何其他(tā)任意变化。您可(kě)以考虑使用(yòng)正弦信号或任意周期波形进行驱动。您还可(kě)以考虑信号在两个電(diàn)平之间切换时的有(yǒu)限上升时间。

初始条件。这定义了驱动信号波动或驱动波形打开时電(diàn)路的状态。这假设在时间 t = 0 时，電(diàn)路最初处于稳态（即，電(diàn)路中没有(yǒu)先前的瞬态响应）。如果未指定初始条件，则假定電(diàn)压和電(diàn)流在 t = 0 时為(wèi)零。

用(yòng)于在 Altium Designer 中进行瞬态信号分(fēn)析的模拟输入電(diàn)压下降的简单電(diàn)路

运行模拟后，您将看到一个覆盖输入信号和输出的输出，让您可(kě)以准确了解信号電(diàn)平的不同变化如何产生瞬态响应。开关数字信号的示例如下所示。在这个電(diàn)路中，我们假设初始条件未指定。由于响应欠阻尼，電(diàn)流中的瞬态响应表现出严重的过冲和下冲。这里的一种解决方案是在源头添加一些串联電(diàn)阻以增加阻尼。更好的解决方案是降低電(diàn)路中的電(diàn)感或增加電(diàn)容，以将响应带入阻尼状态。

瞬态信号分(fēn)析结果示例

原理(lǐ)图与布局后瞬态信号分(fēn)析

上图中的输出类似于您在反射波形仿真中看到的输出，其中在布局后仿真中比较了入射波和反射波。这种情况的不同之处在于我们在原理(lǐ)图中工作，它没有(yǒu)考虑 PCB 中的寄生效应。在布局后仿真中，会考虑寄生效应，您的瞬态信号分(fēn)析结果可(kě)能(néng)会通知您对布局或层堆栈的一些更改，以减少上述振铃。

如果在传输線(xiàn)的布局后信号完整性仿真中看到上述结果，一种解决方案是降低互连中的环路電(diàn)感并按比例降低電(diàn)容。这将在不改变特性阻抗的情况下增加電(diàn)路中的阻尼。这也会将電(diàn)路中的谐振频率移至更高的值，从而降低振铃幅度。另一种选择是在驱动器处串联终止。

零极点分(fēn)析

时域仿真的替代方法是使用(yòng)零极点分(fēn)析。这种技术将電(diàn)路带入拉普拉斯域并计算電(diàn)路中的极点和零点。这使您可(kě)以立即看到瞬态信号响应在電(diàn)路中的表现。注意这种模拟在瞬态信号分(fēn)析中仍然可(kě)以考虑初始条件，所以结果更一般。但是，您无法直接看到瞬态信号的幅度，因為(wèi)您没有(yǒu)明确考虑输入波形的行為(wèi)。

瞬态信号分(fēn)析中的稳定性和不稳定性

这里要注意的最后一点是包含反馈的電(diàn)路可(kě)能(néng)不稳定。在您将在 PCB 原理(lǐ)图和布局中检查的典型電(diàn)路中，您几乎总是会遇到稳定的瞬态信号。上面的示例显示了稳定响应的样子；尽管存在瞬态振荡，但信号最终会衰减到稳定状态。在具有(yǒu)强反馈的電(diàn)路中，瞬态振荡会变得不稳定并随着时间的推移而增長(cháng)。

放大器是一个众所周知的例子，在这种情况下，热波动或强烈的欠阻尼响应会导致放大器的响应在存在强反馈的情况下变得不稳定和饱和。饱和的非線(xiàn)性时不变電(diàn)路最终将迫使这种不稳定的增長(cháng)幅度稳定到一个恒定水平。

在瞬态信号分(fēn)析中，您可(kě)以轻松发现时域中的不稳定性；这将在欠阻尼状态下显示為(wèi)输出中呈指数增長(cháng)的幅度。在零极点分(fēn)析中，实部為(wèi)正的极点表示電(diàn)路中存在不稳定响应。如果零极点分(fēn)析的结果告诉您存在不稳定的响应，那么您可(kě)以使用(yòng)时域仿真来准确检查该响应随时间的变化情况。