使用SPICE來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單RLC電路的時(shí)域分析的教程

如果您不是那種喜歡解微分方程的人，或者您只是喜歡寫代碼，那么，當(dāng)您使用 SPICE 模擬器時(shí)，便會(huì)對(duì)時(shí)域中 RLC 網(wǎng)絡(luò)的行為有所了解。您也可以通過(guò)多頻率迭代，或者直接在頻域中分析這種行為。我們先了解下基本的 RLC 網(wǎng)絡(luò)，以及如何在 SPICE 軟件包軟件包中重現(xiàn)這些電路的行為。

簡(jiǎn)單 RLC 電路的時(shí)域分析

RLC 電路是一種電阻、電容和電感組成的電路結(jié)構(gòu)，通常稱為 RLC 電路。由于電容和電阻具有一些頻率相關(guān)的電抗，當(dāng)用交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，該系統(tǒng)的行為將產(chǎn)生一些有趣的效果。當(dāng)涉及諧波信號(hào)、脈沖或啁啾信號(hào)時(shí)，電壓源對(duì)于電壓調(diào)節(jié)至關(guān)重要。在頻域中，我們可以清楚地了解到電壓 / 電流源頻率對(duì) RLC 電路輸出和 RLC 網(wǎng)絡(luò)中不同部分電流的影響。

頻域的結(jié)果可以通過(guò)傅里葉逆變換轉(zhuǎn)換回時(shí)域（反之亦然）。然而，瞬態(tài)響應(yīng)等一些效應(yīng)在時(shí)域中更容易計(jì)算。由于矩陣表述相對(duì)簡(jiǎn)單，SPICE 仿真自然有助于時(shí)域分析。

RL 電路和 RC 電路也與 RLC 電路有關(guān)，而且也很有趣。如果我們使用的 RLC 網(wǎng)絡(luò)不僅僅是簡(jiǎn)單的串聯(lián) RLC 電路，了解這些電路的行為有助于解釋時(shí)域仿真結(jié)果。當(dāng)使用 RLC 電路的解析解時(shí)，通過(guò)在相關(guān) RLC 電路的解中分別取 L=0 或 C=0，可以了解 RC 電路或 RL 電路的行為。

請(qǐng)注意，當(dāng)與 DC 電源一起使用時(shí)，電阻電感并聯(lián)（RL 電路）必定形成短路。因?yàn)殡姼械淖杩故穷l率的線性函數(shù)，所以采用 DC 電源時(shí)，電感阻抗為零。這類電路對(duì)于 DC 電路意義不大，但可以用來(lái)隔離放大器，避免高頻容性負(fù)載效應(yīng)。

RC 電路中，當(dāng)電容和電阻串聯(lián)時(shí)，我們可以采用時(shí)域仿真來(lái)分析 AC 電壓如何耦合到電路中?；蛘?，當(dāng)電阻和電容并聯(lián)時(shí)，可以分析 AC 信號(hào)如何繞過(guò)電阻。這對(duì)于電源完整性分析尤為重要，因?yàn)槲覀兛赡苄枰獧z查是否有任何 AC 噪聲成分從 DC 電源中過(guò)濾出來(lái)。這兩種分析都應(yīng)作為頻率的函數(shù)進(jìn)行，以便了解 RC 電路如何充當(dāng)濾波器。

RLC 網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)分析

RLC 網(wǎng)絡(luò)以及更大的 RLC 網(wǎng)絡(luò)中的 RC 或 RL 網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)有特定的時(shí)間響應(yīng)，這取決于驅(qū)動(dòng)電路的是諧波源、任意波形、DC 電源，還是可以輕松界定為時(shí)間函數(shù)的其他任何電源。這便是時(shí)域仿真在 RLC 網(wǎng)絡(luò)中如此有效的原因，使我們能夠分析電路對(duì)脈沖或啁啾（或兩者兼有）電壓源的響應(yīng)。

啁啾脈沖在雷達(dá)和光學(xué)應(yīng)用中十分重要

當(dāng)使用 AC 電源時(shí)，大多數(shù) SPICE 軟件包都具備圖形用戶界面且能夠掃描 AC 頻率范圍并分析系統(tǒng)行為。但是，我們也可以進(jìn)行瞬態(tài)分析，并分析電路如何及時(shí)響應(yīng)不同頻率的 AC 電源。我們可以在時(shí)域中分析不同頻率下的電路輸出，并比較信號(hào)的不同質(zhì)量。

瞬態(tài)分析對(duì)于觀察網(wǎng)絡(luò)的 DC 輸入或脈沖如何響應(yīng)也十分有效。采用 DC 輸入時(shí)，我們可以觀察由于 DC 電壓源輸出的變化，電路不同部分上電至不同電壓和電流的速率。這些曲線為指數(shù)形式，稱為瞬態(tài)曲線。它們對(duì) PCB 有重要影響，因其決定了電源分配網(wǎng)絡(luò)中噪聲或數(shù)字切換信號(hào)等引起驅(qū)動(dòng)電壓發(fā)生明顯變化時(shí)，電路的響應(yīng)速度。

RLC 電路的拓展知識(shí)

借助基于 SPICE 的模擬器，我們還可以分析 RLC 網(wǎng)絡(luò)的其他很多方面，在此僅介紹非常有用的兩點(diǎn)。首先，通過(guò)以菊花鏈形式連接多個(gè) RLC 網(wǎng)絡(luò)，我們可以輕松構(gòu)建高階濾波器。然后，我們可以模擬這些高階濾波器的瞬態(tài)響應(yīng)和電壓輸出。如果在電路分析中我們還使用了頻率掃描，則可以確定網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。

PCB 上的光敏傳感器

性能卓越的 SPICE 軟件工具能夠分析工作溫度變化如何影響 RLC 網(wǎng)絡(luò)的輸出。這對(duì)于 PCB 尤其重要，因?yàn)槌俏覀冊(cè)O(shè)計(jì)的電路板具有精密的熱管理能力，否則 PCB 運(yùn)行溫度可能超過(guò)室溫。

Cadence 的 PCB 設(shè)計(jì)工具可簡(jiǎn)化對(duì)簡(jiǎn)單 RLC 電路和更復(fù)雜電路的時(shí)域分析，我們可以通過(guò)構(gòu)建模型，模擬和分析原理圖和 / 或 PCB 中電路的行為。

審核編輯黃昊宇