模拟電(diàn)子扫频测试

2020-05-29

时域和频域仿真是检查電(diàn)子设备行為(wèi)的两个基本工具。顾名思义，时域分(fēn)析就是要检查特定信号随时间的变化，而不管其带宽如何。这使您可(kě)以全面了解时域中的電(diàn)路行為(wèi)，并且有(yǒu)机会通过比较输入和输出信号来量化诸如信号失真和衰减之类的东西。

模拟工程师通常在频域工作。设计模拟電(diàn)子设备的目的是在電(diàn)路中操纵不同的频率，这些模拟中使用(yòng)的基本工具是扫频测试。当您访问具有(yǒu)经过验证的组件模型的功能(néng)强大的電(diàn)子模拟器时，可(kě)以检查系统如何响应不同的频率。

何时使用(yòng)扫频测试

扫频测试无疑是在模拟電(diàn)子领域。目的是分(fēn)析输入单色信号如何受到電(diàn)路中不同组件的影响。然后，将输入信号的频率扫描到某个所需范围，并记录每个输入频率值的输出電(diàn)压或電(diàn)流。具有(yǒu)電(diàn)抗组件的電(diàn)路还将对信号施加相移，并且相移会与输出電(diàn)压/電(diàn)流的大小(xiǎo)一起记录下来。

通常可(kě)以使用(yòng)線(xiàn)性时不变電(diàn)路执行扫频测试，而无需调用(yòng)電(diàn)路行為(wèi)的任何近似值。非線(xiàn)性電(diàn)路可(kě)通过其他(tā)一些高级分(fēn)析进行检查（请参见下文(wén)）。无源组件已经在模拟器中定义，但是您也可(kě)以使用(yòng)模拟器中经过验证的组件模型来评估具有(yǒu)集成電(diàn)路的電(diàn)路。扫频测试的结果可(kě)通过以下方式使用(yòng)：

构造一个传递函数。这是扫频的最常见用(yòng)途。该传递函数是等于输出電(diàn)压在每个频率由输入電(diàn)压分(fēn)割。传递函数的大小(xiǎo)和相位在其自己的图中绘制。

提取電(diàn)路的输入阻抗。只需将输入電(diàn)压频谱除以进入等效電(diàn)路的電(diàn)流即可(kě)获得输入阻抗频谱。

识别電(diàn)路的带宽。当输入导纳的幅度以对数刻度绘制时，您可(kě)以提取電(diàn)路的带宽。带宽通常定义為(wèi)导纳比峰值导纳下降3 dB的频率。

示例放大器電(diàn)路提供的增益。可(kě)以从频率扫描测试结果中的3 dB点轻松提取带宽。

与时域分(fēn)析相比，扫频测试具有(yǒu)一些重要的优势。在时域中检查信号需要手动提取特定输入频率下的阻抗和相位差，这非常耗时。 

然而，时域分(fēn)析对于检查宽带信号如何受到線(xiàn)性電(diàn)路的影响是有(yǒu)利的。您可(kě)以在时域中叠加并直接比较两个信号。对于带有(yǒu)任意信号的非線(xiàn)性電(diàn)路，您需要使用(yòng)更高级的技术来了解電(diàn)路的频率行為(wèi)相关行為(wèi)。

非線(xiàn)性電(diàn)路：频率扫描失败的地方

仅针对線(xiàn)性时不变電(diàn)路或在線(xiàn)性状态下运行的非線(xiàn)性電(diàn)路定义了扫频测试，因此非線(xiàn)性電(diàn)路需要更复杂的技术来了解電(diàn)路性能(néng)。当我们说一个電(diàn)路是“非線(xiàn)性的”时，我们的意思是输出電(diàn)压/電(diàn)流是输入電(diàn)压/電(diàn)流的非線(xiàn)性函数。即使在非線(xiàn)性電(diàn)路中，输出频率通常也是输入频率的線(xiàn)性函数。

由于在输入信号中产生了额外的谐波，非線(xiàn)性電(diàn)路具有(yǒu)复杂的频域行為(wèi)。為(wèi)了检查非線(xiàn)性電(diàn)路的频率相关行為(wèi)，您需要使用(yòng)以下分(fēn)析之一：

小(xiǎo)信号分(fēn)析。这涉及将電(diàn)路中每个组件的行為(wèi)近似為(wèi)输入的線(xiàn)性函数。这些近似值仅在某些工作点附近定义，仅对“小(xiǎo)”输入幅度有(yǒu)效。在每个输入電(diàn)平上进行扫频测试时，您可(kě)以获得转换函数，并且可(kě)以构建一个图表，该图显示随着输入電(diàn)压電(diàn)平变化，转换函数如何变化。

谐波平衡。这是一个更复杂的仿真，将非線(xiàn)性时不变電(diàn)路分(fēn)為(wèi)其線(xiàn)性部分(fēn)和非線(xiàn)性部分(fēn)。随时间变化的任意信号被分(fēn)解為(wèi)其主要频率分(fēn)量，该输入频谱被传递到非線(xiàn)性電(diàn)路中。非線(xiàn)性部分(fēn)将在输出端产生额外的谐波。这与扫频并不完全相同，但是您可(kě)以迭代不同的频率并為(wèi)典型的扫频测试重新(xīn)创建一些结果。该技术比小(xiǎo)信号分(fēn)析功能(néng)强大得多(duō)，但是需要手动迭代。

对于连续的时变電(diàn)路，即電(diàn)路的行為(wèi)在时间上平稳变化，在考虑系统的初始条件时，您将不得不在时域中工作。仿真结果可(kě)能(néng)对系统的初始条件非常敏感，因此需要仔细分(fēn)析系统的稳定性。当系统中存在耦合时，您需要仔细分(fēn)析耦合量如何收敛到平衡解或从平衡解发散，或者它们是否在相空间中产生极限循环。这些主题仍然是数學(xué)和工程研究的活跃领域。