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電路設計中瞬態信號分析的工具
電路設計中瞬態信號分析的工具
PCB 中互連和電源軌上的瞬態響應是位錯誤、時序抖動和其他信號完整性問題的來源。您可以通過瞬態信號分析確定在設計完美電路的過程中要采取哪些設計步驟。
可以手動檢查和計算簡單電路中的瞬態信號分析，從而繪制隨時間變化的瞬態響應。手動分析更復雜的電路可能很困難。相反，您可以在原理圖設計期間使用模擬器進行時域瞬態信號分析。如果您使用正確的設計軟件，您甚至不需要編碼技能。
在電路設計中定義瞬態
形式上，瞬態可能發生在電路中，這些電路可以寫成一組耦合的一階線性或非線性微分方程（自主或非自主）。瞬態響應可以通過多種方式確定。在我看來，您可以使用 Poincare-Bendixson 定理輕松確定瞬態響應的類型和存在性，對于任何一組耦合方程都可以輕松地手動計算出該定理。如果這些類型的操作不是您的專長，請不要擔心；您可以使用基于 SPICE 的電路模擬器檢查時域中的瞬態行為。
沒有反饋的時不變電路中的瞬態響應屬于以下三種狀態之一：
過阻尼：緩慢衰減響應，無振蕩
臨界阻尼：無振蕩的最快衰減響應
欠阻尼：衰減的振蕩響應
這些響應在時域仿真的輸出中很容易看到。您可以使用 SPICE 仿真器直接從原理圖中執行瞬態信號分析。
時域瞬態信號分析工具
探索瞬態信號分析和檢查電路行為的最簡單方法是使用時域仿真。這種類型的模擬使用 Newton-Raphson 方法或數值積分方法在時域中求解電路的基爾霍夫定律，具體取決于被模擬電路的形式。這些和其他方法都集成到基于 SPICE 的模擬器中，不需要顯式調用。另一種瞬態分析方法涉及對電路進行拉普拉斯變換來識別電路的極點和零點。
在電路仿真方面，您可以直接從原理圖運行瞬態信號分析仿真。這需要考慮電路行為的兩個方面：
驅動信號。這定義了引起瞬態響應的輸入電壓/電流水平的變化。這可能涉及兩個信號電平（即開關數字信號）之間的變化、當前輸入信號電平的下降或尖峰、或驅動信號的任何其他任意變化。您可以考慮使用正弦信號或任意周期波形進行驅動。您還可以考慮信號在兩個電平之間切換時的有限上升時間。
初始條件。這定義了驅動信號波動或驅動波形打開時電路的狀態。這假設在時間 t = 0 時，電路最初處于穩態（即，電路中沒有先前的瞬態響應）。如果未指定初始條件，則假定電壓和電流在 t = 0 時為零。
用于在 Altium Designer 中進行瞬態信號分析的模擬輸入電壓下降的簡單電路
運行模擬后，您將看到一個覆蓋輸入信號和輸出的輸出，讓您可以準確了解信號電平的不同變化如何產生瞬態響應。開關數字信號的示例如下所示。在這個電路中，我們假設初始條件未指定。由于響應欠阻尼，電流中的瞬態響應表現出嚴重的過沖和下沖。這里的一種解決方案是在源頭添加一些串聯電阻以增加阻尼。更好的解決方案是降低電路中的電感或增加電容，以將響應帶入阻尼狀態。
瞬態信號分析結果示例
原理圖與布局后瞬態信號分析
上圖中的輸出類似于您在反射波形仿真中看到的輸出，其中在布局后仿真中比較了入射波和反射波。這種情況的不同之處在于我們在原理圖中工作，它沒有考慮 PCB 中的寄生效應。在布局后仿真中，會考慮寄生效應，您的瞬態信號分析結果可能會通知您對布局或層堆棧的一些更改，以減少上述振鈴。
如果在傳輸線的布局后信號完整性仿真中看到上述結果，一種解決方案是降低互連中的環路電感并按比例降低電容。這將在不改變特性阻抗的情況下增加電路中的阻尼。這也會將電路中的諧振頻率移至更高的值，從而降低振鈴幅度。另一種選擇是在驅動器處串聯終止。
零極點分析
時域仿真的替代方法是使用零極點分析。這種技術將電路帶入拉普拉斯域并計算電路中的極點和零點。這使您可以立即看到瞬態信號響應在電路中的表現。注意這種模擬在瞬態信號分析中仍然可以考慮初始條件，所以結果更一般。但是，您無法直接看到瞬態信號的幅度，因為您沒有明確考慮輸入波形的行為。
瞬態信號分析中的穩定性和不穩定性
這里要注意的最后一點是包含反饋的電路可能不穩定。在您將在 PCB 原理圖和布局中檢查的典型電路中，您幾乎總是會遇到穩定的瞬態信號。上面的示例顯示了穩定響應的樣子；盡管存在瞬態振蕩，但信號最終會衰減到穩定狀態。在具有強反饋的電路中，瞬態振蕩會變得不穩定并隨著時間的推移而增長。
放大器是一個眾所周知的例子，在這種情況下，熱波動或強烈的欠阻尼響應會導致放大器的響應在存在強反饋的情況下變得不穩定和飽和。飽和的非線性時不變電路最終將迫使這種不穩定的增長幅度穩定到一個恒定水平。
在瞬態信號分析中，您可以輕松發現時域中的不穩定性；這將在欠阻尼狀態下顯示為輸出中呈指數增長的幅度。在零極點分析中，實部為正的極點表示電路中存在不穩定響應。如果零極點分析的結果告訴您存在不穩定的響應，那么您可以使用時域仿真來準確檢查該響應隨時間的變化情況。