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电路设计中瞬态信号分析的工具
电路设计中瞬态信号分析的工具
PCB 中互连和电源轨上的瞬态响应是位错误、时序抖动和其他信号完整性问题的来源。您可以通过瞬态信号分析确定在设计完美电路的过程中要采取哪些设计步骤。
可以手动检查和计算简单电路中的瞬态信号分析，从而绘制随时间变化的瞬态响应。手动分析更复杂的电路可能很困难。相反，您可以在原理图设计期间使用模拟器进行时域瞬态信号分析。如果您使用正确的设计软件，您甚至不需要编码技能。
在电路设计中定义瞬态
形式上，瞬态可能发生在电路中，这些电路可以写成一组耦合的一阶线性或非线性微分方程（自主或非自主）。瞬态响应可以通过多种方式确定。在我看来，您可以使用 Poincare-Bendixson 定理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以轻松地手动计算出该定理。如果这些类型的操作不是您的专长，请不要担心；您可以使用基于 SPICE 的电路模拟器检查时域中的瞬态行为。
没有反馈的时不变电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容易看到。您可以使用 SPICE 仿真器直接从原理图中执行瞬态信号分析。
时域瞬态信号分析工具
探索瞬态信号分析和检查电路行为的最简单方法是使用时域仿真。这种类型的模拟使用 Newton-Raphson 方法或数值积分方法在时域中求解电路的基尔霍夫定律，具体取决于被模拟电路的形式。这些和其他方法都集成到基于 SPICE 的模拟器中，不需要显式调用。另一种瞬态分析方法涉及对电路进行拉普拉斯变换来识别电路的极点和零点。
在电路仿真方面，您可以直接从原理图运行瞬态信号分析仿真。这需要考虑电路行为的两个方面：
驱动信号。这定义了引起瞬态响应的输入电压/电流水平的变化。这可能涉及两个信号电平（即开关数字信号）之间的变化、当前输入信号电平的下降或尖峰、或驱动信号的任何其他任意变化。您可以考虑使用正弦信号或任意周期波形进行驱动。您还可以考虑信号在两个电平之间切换时的有限上升时间。
初始条件。这定义了驱动信号波动或驱动波形打开时电路的状态。这假设在时间 t = 0 时，电路最初处于稳态（即，电路中没有先前的瞬态响应）。如果未指定初始条件，则假定电压和电流在 t = 0 时为零。
用于在 Altium Designer 中进行瞬态信号分析的模拟输入电压下降的简单电路
运行模拟后，您将看到一个覆盖输入信号和输出的输出，让您可以准确了解信号电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。在这个电路中，我们假设初始条件未指定。由于响应欠阻尼，电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电阻以增加阻尼。更好的解决方案是降低电路中的电感或增加电容，以将响应带入阻尼状态。
瞬态信号分析结果示例
原理图与布局后瞬态信号分析
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图中工作，它没有考虑 PCB 中的寄生效应。在布局后仿真中，会考虑寄生效应，您的瞬态信号分析结果可能会通知您对布局或层堆栈的一些更改，以减少上述振铃。
如果在传输线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电感并按比例降低电容。这将在不改变特性阻抗的情况下增加电路中的阻尼。这也会将电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。
零极点分析
时域仿真的替代方法是使用零极点分析。这种技术将电路带入拉普拉斯域并计算电路中的极点和零点。这使您可以立即看到瞬态信号响应在电路中的表现。注意这种模拟在瞬态信号分析中仍然可以考虑初始条件，所以结果更一般。但是，您无法直接看到瞬态信号的幅度，因为您没有明确考虑输入波形的行为。
瞬态信号分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电路可能不稳定。在您将在 PCB 原理图和布局中检查的典型电路中，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。在具有强反馈的电路中，瞬态振荡会变得不稳定并随着时间的推移而增长。
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。饱和的非线性时不变电路最终将迫使这种不稳定的增长幅度稳定到一个恒定水平。
在瞬态信号分析中，您可以轻松发现时域中的不稳定性；这将在欠阻尼状态下显示为输出中呈指数增长的幅度。在零极点分析中，实部为正的极点表示电路中存在不稳定响应。如果零极点分析的结果告诉您存在不稳定的响应，那么您可以使用时域仿真来准确检查该响应随时间的变化情况。