電(diàn)路设计中的瞬态信号

2020-09-01

我仍然记得我的第一个微分(fēn)方程类。讨论的第一个主题是阻尼振荡器電(diàn)路和瞬态信号响应，它出现在许多(duō)不同的物(wù)理(lǐ)系统中。互连中以及PCB中電(diàn)源線(xiàn)上的瞬态响应是导致位错误，时序抖动和其他(tā)信号完整性问题的原因。您可(kě)以确定采用(yòng)瞬态信号分(fēn)析来设计完美電(diàn)路的过程中要采取的设计步骤。

可(kě)以手动检查和计算简单電(diàn)路中的瞬态信号分(fēn)析，从而可(kě)以绘制瞬态响应随时间的变化曲線(xiàn)。更复杂的電(diàn)路可(kě)能(néng)难以手动分(fēn)析。相反，您可(kě)以在仿真器设计期间使用(yòng)模拟器进行时域瞬态信号分(fēn)析。如果使用(yòng)正确的设计软件，您甚至不需要编码技能(néng)。

形式上，瞬变可(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（自治或非自治）。瞬态响应可(kě)以通过多(duō)种方式确定。

时不变電(diàn)路中没有(yǒu)反馈的瞬态响应属于以下三种情况之一：

过度阻尼：缓慢衰减的响应，无振荡

临界阻尼：最快的衰减响应，无振荡

阻尼不足：衰减的振荡响应

在電(diàn)路仿真方面，您可(kě)以直接从原理(lǐ)图中运行瞬态信号分(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，或者驱动信号中的任何其他(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)以考虑信号在两个级别之间切换时的有(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开启时的電(diàn)路状态。假设在时间t = 0时，電(diàn)路最初处于稳定状态（即，電(diàn)路中没有(yǒu)先前的瞬态响应）。如果未指定初始条件，则假定在t = 0时電(diàn)压和電(diàn)流為(wèi)零。

运行模拟之后，将為(wèi)您提供覆盖输入信号和输出的输出，使您可(kě)以准确地看到信号電(diàn)平的不同变化如何产生瞬态响应。下面显示了一个切换数字信号的示例。在此電(diàn)路中，我们假设未指定初始条件。電(diàn)流的瞬态响应由于阻尼不足而表现出严重的过冲和下冲。这里的一种解决方案是在源端增加一些串联電(diàn)阻以增加阻尼。更好的解决方案是减小(xiǎo)電(diàn)路中的電(diàn)感或增加電(diàn)容，以使响应进入阻尼状态。

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。在这种情况下的區(qū)别是我们在原理(lǐ)图中工作，该原理(lǐ)没有(yǒu)考虑PCB中的寄生效应。在布局后仿真中，会考虑寄生因素，您的瞬态信号分(fēn)析结果可(kě)能(néng)会通知您对布局或叠层进行一些更改，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，则一种解决方案是减小(xiǎo)互连中的环路電(diàn)感，并按比例减小(xiǎo)電(diàn)容。这将在不改变特性阻抗的情况下增加電(diàn)路的阻尼。这还将電(diàn)路中的谐振频率移至更高的值，从而降低了振铃幅度。另一种选择是在驱动器处进行串联端接。

极点零分(fēn)析

时域仿真的一种替代方法是使用(yòng)零极点分(fēn)析。该技术将電(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)以立即查看瞬态信号响应在電(diàn)路中的行為(wèi)。请注意，这种类型的仿真仍可(kě)以考虑瞬态信号分(fēn)析中的初始条件，因此结果更為(wèi)通用(yòng)。但是，您不能(néng)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)路中不稳定的可(kě)能(néng)性。在典型的電(diàn)路中，您将在PCB原理(lǐ)图和布局中进行检查，几乎总是会遇到稳定的瞬态信号。上面的示例显示了稳定的响应。尽管存在瞬态振荡，但信号最终会衰减到稳态。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而增長(cháng)。

放大器是一种众所周知的情况，在存在强反馈的情况下，热波动或强烈的欠阻尼响应会驱动放大器的响应变得不稳定和饱和。饱和的非線(xiàn)性时不变電(diàn)路最终将迫使此不稳定的振幅稳定到恒定水平。

在瞬态信号分(fēn)析中，您可(kě)以轻松地发现时域中的不稳定性；这将在欠阻尼状态下以输出呈指数增長(cháng)的幅度出现。在零极点分(fēn)析中，实数部分(fēn)為(wèi)正的极点会告诉您電(diàn)路中存在不稳定的响应。如果零极点分(fēn)析的结果告诉您存在不稳定的响应，则可(kě)以使用(yòng)时域仿真来检查该响应随时间的行為(wèi)。