跟踪電(diàn)路设计中的電(diàn)压和電(diàn)流

2020-10-20

原理(lǐ)图是您设计开始的地方，真正的工程就在这里。原理(lǐ)图还应该是您在致力于特定设计和布局之前可(kě)以随意尝试不同设计选择的地方。如果您使用(yòng)带有(yǒu)集成模拟器的正确的原理(lǐ)图设计工具集，则不必局限于特定设计，并且可(kě)以在开始PCB布局之前检查系统的電(diàn)气性能(néng)。

设计原理(lǐ)图的重要部分(fēn)是跟踪整个電(diàn)路的電(diàn)压和電(diàn)流。当原理(lǐ)图编辑器包含一组集成的仿真和测量工具时，可(kě)以很(hěn)容易地直观地跟踪電(diàn)路中功率的分(fēn)布位置。并非所有(yǒu)的SPICE仿真软件包都提供跟踪電(diàn)压和電(diàn)流在整个電(diàn)路中的分(fēn)布位置所需的工具，因此您不得不阅读文(wén)本行以确定電(diàn)路中每个节点的電(diàn)压和電(diàn)流。

電(diàn)路中的電(diàn)压和電(diàn)流是根据一些基本物(wù)理(lǐ)定律分(fēn)配的。具體(tǐ)来说，需要使用(yòng)基尔霍夫定律和欧姆定律分(fēn)别跟踪节点之间和节点之间的電(diàn)压和電(diàn)流。对于简单的電(diàn)路，即使存在非線(xiàn)性组件，也很(hěn)容易跟踪電(diàn)路周围的電(diàn)压和電(diàn)流。通常，您可(kě)以使用(yòng)筆(bǐ)和纸以及一些简单的在線(xiàn)计算器进行此操作。

為(wèi)复杂的PCB或IC设计的实际電(diàn)路可(kě)能(néng)非常复杂，通常不会简化為(wèi)需要求解的一组简单的联立方程式。对于具有(yǒu)数十个节点的線(xiàn)性電(diàn)路，您為(wèi)基尔霍夫定律公式化的矩阵方程式在原则上是可(kě)解的，但问题是棘手的，并且容易出现严重错误。将非線(xiàn)性组件添加到電(diàn)路后，标准矩阵方程式通常会简化為(wèi)一组必须通过数字求解的先验方程式。

集成到電(diàn)路设计工具中的SPICE仿真器非常适合跟踪实际電(diàn)路中不同节点上的電(diàn)压和電(diàn)流。只需使用(yòng)電(diàn)路模拟器中内置的测量工具即可(kě)。然后，您可(kě)以观察到電(diàn)压和電(diàn)流分(fēn)布如何随着電(diàn)路中不同参数的调整而变化。在此示例中，我们将查看具有(yǒu)多(duō)个组件和所需测量点的原理(lǐ)图，以了解如何在整个電(diàn)路中跟踪電(diàn)流和電(diàn)压。

在复杂電(diàn)路中选择测量点

下图显示了一个简单的子電(diàn)路，该子電(diàn)路将输入信号转换為(wèi)正脉冲输出。还有(yǒu)许多(duō)其他(tā)组件用(yòng)于显示此電(diàn)路中的各种可(kě)能(néng)的测量点。在该電(diàn)路中，有(yǒu)一个正弦波源，一个输入pi滤波器（低通），最后是一个CMOS反相器。我们想看看在包含直流和交流部分(fēn)的这种类型的電(diàn)路中電(diàn)流和電(diàn)压的分(fēn)布情况。

用(yòng)于SPICE仿真的原理(lǐ)图

该示意图可(kě)以是分(fēn)层结构的一部分(fēn)，也可(kě)以从较大的系统中复制。当您要模拟更大结构中的電(diàn)路时，最好将其复制到新(xīn)的原理(lǐ)图中，并单独进行仿真。隔离要模拟的電(diàn)路块后，可(kě)以将测量探针放置在不同的组件上。您将能(néng)够在PSpice Simulator中测量電(diàn)流，電(diàn)压或功率。

示意图中以灰色显示了用(yòng)于跟踪電(diàn)压和電(diàn)流的测量探针。在这里，我们将電(diàn)流探头和差分(fēn)電(diàn)压探头放置在電(diàn)路的输入和输出端口。尽管我们将研究输入和输出，但是这些探针可(kě)以放置在電(diàn)路中的任何位置。创建仿真配置文(wén)件并运行PSpice Simulator后，您将需要使用(yòng)许多(duō)选项来查看整个電(diàn)路中计算出的電(diàn)压，電(diàn)流和/或功率。

仿真结果

可(kě)以在PSpice中可(kě)访问的任何仿真工具中使用(yòng)测量探针。一些示例分(fēn)析包括：

直流扫描：直流扫描使電(diàn)路中的直流電(diàn)压在两个值之间循环，并将测量数据显示為(wèi)直流電(diàn)压值的函数。可(kě)以使用(yòng)一个或多(duō)个来源进行分(fēn)析。 

频率扫描：在探头处捕获的数据将以图表形式显示為(wèi)频率的函数。 

瞬态分(fēn)析：这是模拟電(diàn)路使用(yòng)的标准时域分(fēn)析。尽管瞬态分(fēn)析通常是指在系统切换状态时检查稳定性和松弛行為(wèi)，但它通常是指任何时域仿真和分(fēn)析。

参数扫描：可(kě)以扫描電(diàn)路参数，并可(kě)以针对扫描参数的每个值捕获并显示测量点的数据。

瞬态仿真

一旦将任何探针放置在原理(lǐ)图中并运行了仿真，来自这些探针的数据将显示在PSpice Advanced Analysis程序的图形中。Capture CIS使此操作变得容易，因為(wèi)它可(kě)以直接从您的原理(lǐ)图数据自动构建SPICE仿真。下面的示例结果显示了在上述電(diàn)路的输出端测得的電(diàn)流（黄色）和電(diàn)压（绿色）。

PSpice中的瞬态分(fēn)析结果。

在上图中，為(wèi)清晰起见，隐藏了電(diàn)源電(diàn)压和電(diàn)流。在这里，我们可(kě)以看到输出電(diàn)压和電(diàn)流都非常低，尽管该電(diàn)路确实提供了占空比為(wèi)50％的脉冲。确定如何增加電(diàn)路输出功率的一种选择是使用(yòng)带有(yǒu)不同组件的参数扫描。这将给出一系列针对不同元件值的曲線(xiàn)，并使设计人员能(néng)够找出哪些元件值可(kě)提供最大功率输出。

如果单击鼠标回到Capture CIS，您将看到探针已着色，这与PSpice中生成的曲線(xiàn)颜色相对应。此外，还有(yǒu)许多(duō)标签显示整个電(diàn)路的電(diàn)压测量结果。这将向您显示電(diàn)路中的参考点，以及相对于这些参考值的偏置点。

根据PSpice仿真确定的偏置和参考点。

将网添加到图形

尽管PSpice中自动生成的图将显示来自原理(lǐ)图中放置的测量探针的数据，但是您仍可(kě)以从原理(lǐ)图中的特定点提取结果，而无需重新(xīn)运行仿真。為(wèi)此，只需创建一个新(xīn)图并添加新(xīn)轨迹，或者可(kě)以将轨迹添加到现有(yǒu)图。右键单击图形區(qū)域，然后选择“添加跟踪”以查看哪些网络具有(yǒu)数据并可(kě)以在图形上显示。

在这里，您可(kě)以从网络及其包含的数据的列表中进行选择（网络名称后附有(yǒu)[I]表示的電(diàn)流，[v]表示的電(diàn)压和[p]表示的功率）。您还可(kě)以在自定义公式中使用(yòng)数据，以对数刻度（dB）显示值，并為(wèi)图形选择许多(duō)查看选项。这些选项可(kě)用(yòng)于频域和时域数据。带有(yǒu)时域结果的示例如下所示。

通过PSpice绘制的流经L1（紫色）和C1（深青色）的電(diàn)流。

任何时域结果都可(kě)以通过傅立叶变换转移到频域中。在这种情况下，由于CMOS反相器级的整流作用(yòng)，傅立叶变换将显示谐波产生。除了使用(yòng)傅立叶变换外，另一个选择是直接在频域中工作。

扫频

另一种可(kě)能(néng)性是通过扫频仿真观察频率响应。这样做不需要交换原理(lǐ)图中的任何探针。只需在仿真配置文(wén)件中启用(yòng)频率扫描即可(kě)。这為(wèi)设计人员提供了一种跟踪复杂電(diàn)路中電(diàn)压和電(diàn)流的方法，同时可(kě)以比较不同位置和不同频率的電(diàn)路响应。设计人员还可(kě)以执行其他(tā)重要的频域分(fēn)析，例如计算Bode图。

如果我们查看上述系统的扫频结果，就会发现输出在高频下被严重衰减。一个因素是CMOS反相器级的带宽，而另一个因素是输入端的pi滤波器。该工作流程说明了一种诊断潜在设计变更，同时还可(kě)以跟踪電(diàn)路中的電(diàn)压和電(diàn)流的方法。

使用(yòng)大型系统

我们刚刚检查了一个電(diàn)路块，用(yòng)于跟踪電(diàn)路中的電(diàn)压和電(diàn)流。如果该模块是较大系统的一部分(fēn)，则可(kě)以在另一電(diàn)路模块的输入上使用(yòng)仿真结果。只需使用(yòng)所需的電(diàn)路模块创建一个新(xīn)的仿真，然后定义从输入中的第一个模块到第二个模块的输出電(diàn)流/電(diàn)压。这将為(wèi)您提供一种简单的方法来检查串联中的不同電(diàn)路块如何相互影响。