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在pcb电路仿真中使用小信号分析,pcb打样

2019-08-30 16:58:30 479

当大多数人看电子设备的方程时,通常只想插入值来确定pcb电路的行为。如果你在数学和科学课上花时间了,你可能会习惯这样做。但是,您可以使用其他分析技术来加速pcb电路分析。

在某些情况下,即使用非线性电路或多端口网络时,pcb电路的行为可能不那么明显,手动计算所有内容的过程变得难以处理。这是小信号分析对于使用基于SPICE的仿真器检查电路行为的关键所在。

 


交流分析与仿真技术

有许多AC分析和模拟技术用于检查线性或非线性pcb电路的行为。可以说,最常见的是交流频率扫描,其中驱动器的频率以指定的增量扫过一系列值。目标是检查电路如何响应不同的频率。

 

对于非线性和有源电路元件,特别是对于任意电压/电流源,频率扫描分析可能变得复杂。特别是,SPICE仿真中使用的Gauss-Jordan技术只能用于线性电路的AC分析。因此,检查非线性电路的AC行为需要与DC电路中使用的技术不同的技术。

 

这就是小信号分析的用武之地。在此分析中,非线性电路元件近似为线性电路元件。这立即使非线性元件适合于用于电路分析的相同。请注意,此分析仅适用于DC分析; 必须首先确定特定DC偏压下的非线性元件的行为,并且可以使用线性近似来确定接近该DC值的AC驱动下的行为。

 

 

为什么DC分析用于小信号分析?

为什么需要DC值?这不是AC分析技术吗?那么,必须这样做,因为非线性电路在一个电压范围(例如,V1到V2)之间的响应不同于在不同电压范围(例如,V2到V3)的响应。关键是确定电路的行为,因为交流驱动电压在某个特定的值范围内变化。这就是在检查交流电压下的行为之前必须在特定的直流电压下分析电路的原因。

 

实现小信号分析的关键是首先选择直流偏置值并分析电路的行为。目标是确定在此特定直流偏置下非线性电路元件的跨阻(跨导的倒数)。一旦知道每个非线性元件的跨导,就可以将电路重建为一组线性元件,其电阻等于跨阻抗的倒数。

 

这里,给定电路元件的线性近似可以用泰勒级数近似求得。小信号分析依赖于您选择的直流偏置值附近的近似值; 让我们称之为电压U.任何器件的电流输出都可以使用泰勒级数写入输入直流电压V和所选直流偏置U的函数:

pcb打样 

用于小信号分析中非线性器件的输出

 

然后,互阻抗等于输入电压与电流输出的比率:

pcb打样 

直流偏压U附近的跨阻抗

 

这样做的优点应该是显而易见的:电路元件就像一个电阻器,具有上面针对输入电压V的任何值计算的跨阻,其中V接近于U.这意味着您现在可以在典型的AC分析中使用该等效电阻器。在此分析中,您将实际模拟直流驱动电压U之上的交流驱动电压。这使您可以看到电流如何在一定值范围内响应交流电压。

 

对于更复杂的电路元件,如晶体管,放大器,真空管或其他器件,您可能需要计算许多其他电阻,以正确创建用于小信号分析的等效线性电路元件。关于该主题的文献很多,不同的模型需要不同的参数来提供准确的计算。

 

其他影响:电容和跨阻抗

如果您熟悉半导体器件,那么您就知道各种器件中存在栅极和结电容,这些器件会影响开关行为和AC响应。因此,您需要通过考虑在特定电流下通过器件的总电荷来确定器件的等效电容。然后,您可以通过计算跨阻抗来为电路元件创建等效线性模型,跨阻抗也只是特定输入电压下的阻抗值。

 

对于半导体器件,您需要考虑电荷载流子通过器件中不同区域的正向传输时间(或反向传输时间,如果反向偏置驱动),以计算由于流动电流引起的总电荷。除此之外,存储在设备中所有其他电容区域的电荷,您还可以获得总电量的功能。然后,您可以通过相对于输入电压的导数来计算器件的等效电容。

 

一旦知道特定直流偏置的等效电容,就可以使用电容值以通常的方式定义互阻抗。一旦开始检查直流偏置周围的交流变化,跨阻抗将影响电路中电压和电流之间的相位差。

 

小信号分析需要一些工作来确定仿真参数,但您可以使用正确的基于SPICE的仿真包加快仿真速度。该帮助您快速找到一个电路的直流偏置点,您无需做任何手工计算。这种独特的封装适用于复杂的PCB设计,并可直接与原理图数据接口。

 

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