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电路设计中的哪里找到磁滞回线


非线性行为随处可见,线性行为只是任何物理系统中真实行为的近似值。在电子产品设计中,您通常可以设计许多组件,并确保电路中的线性响应,但是系统中的许多组件或电路始终是非线性的,并表现出饱和或整流。结合了非线性行为的这两个方面的一种效应是磁滞现象,其中饱和作为输入信号电平发生,并且沿不同方向变化。

当您需要分析电路或组件中的磁滞如何影响系统行为时,需要在单个电路中模拟一个磁滞回线。您还可以在较大的电子系统中使用磁滞模型-作为任何常规分析的一部分,您将在SPICE模拟器中运行。当您需要为具有滞后的电路创建SPICE仿真时。 

电子中会出现磁滞回线的地方

在非线性元件以及包含非线性元件的电路中会发生磁滞回线。它可以通过许多机制来产生,这些机制可能很难预测,但是,磁滞在时域中很容易可视化,或者通过查看循环的传输曲线(输出与输入信号之间的关系)即可看到。当发生磁滞回线时,在高输入信号电平下会导致输出饱和。一旦输入信号电平反转,传输曲线就会短暂地显示出整流状态,直到输入通过某个阈值为止。

在重复输入信号周期之后,当将这两个量绘制为传输曲线时,输出信号将无法返回其原点。如下图所示。 

初始输出与输入传输曲线以黑色显示,并随着输入信号增加到第一个反转点而达到饱和。在第一次反转(红色曲线)期间,输出信号沿另一条路径到达第二次反转点。在第二次反转(蓝色曲线)期间,信号沿另一条路径返回第一个反转点。

传递曲线中的磁滞回线。

磁滞不会在每个组件中都发生,但是在某些非常常见的组件中确实会发生磁滞。例如,可以在以下组件中观察到磁滞回线:

铁氧体组件(电感器,铁氧体磁珠/钳位器,变压器)

晶闸管

由独特材料制成的二极管

陶瓷压电换能器

物理吸附和化学吸附薄膜传感器

类似地,以下电路和系统中可能会出现磁滞回线,即使它们可能不包含表现出磁滞的组件也是如此:

比较器和其他具有正反馈的电路

基于变容二极管的倍频器

PID控制器和其他控制系统

恒电位仪进行循环伏安法测量

迟滞对于电路功能(例如在比较器中)可能是理想的效果。在比较器电路中,磁滞具有抗噪声能力,正反馈可与磁滞一起使用,以从噪声信号中产生干净的方波。在其他电路中,例如谐振LLC转换器,磁滞会限制初级侧电桥级和次级侧输出级之间的功率传输。为了确定滞后是有益还是有问题,您需要将仿真与正确的组件模型一起使用。

带有滞环的建筑仿真

如果您要处理具有滞后作用的特殊组件,新材料或独特的电路拓扑,则需要为系统开发SPICE模型以模拟滞后作用。自从SPICE模拟器首次开发以来,该电子设计领域一直是当前的研究主题。

如果需要模拟典型模拟电路中的磁滞效应,则需要针对具有磁滞的特定组件的SPICE模型。在SPICE模型中定义磁滞需要根据上升和下降交叉点定义输出信号电平。随着输入信号的循环,该值将产生不同的输出特性。换句话说,输出信号电平定义为输入的分段函数。

瞬态分析的示例结果可用于构建磁滞回线。下面的窗口显示了输入1 V CMOS Schmitt触发缓冲器的三角波和9个输入波周期的9条叠加输出曲线。

瞬态分析结果中显示了磁滞。

即使输入端没有噪声,输出波形也会发生很大变化。通过在单个周期内绘制输出曲线与输入波形的关系,可以构建如下所示的磁滞回线。

从瞬态分析结果构建的磁滞回线,例如一个反向施密特触发器电路。

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