Werkzeuge für die Analyse transienter Signale im Schaltungsentwurf

Sie können eine transiente Signalanalyse mit jedem dieser Schaltkreise durchführen, wenn Sie den richtigen Simulator verwenden.

Ich erinnere mich noch an meine erste Vorlesung über Differentialgleichungen. Eines der ersten Themen, die besprochen wurden, waren gedämpfte Oszillatorschaltungen und die transiente Signalantwort, die in vielen verschiedenen physikalischen Systemen auftritt. Eine transiente Antwort in einer Verbindung und auf den Stromschienen Ihrer Leiterplatte ist eine Quelle für Bitfehler, Timing-Jitter und andere Probleme der Signalintegrität. Mit der transienten Signalanalyse können Sie bestimmen, welche Designschritte Sie auf dem Weg zur Gestaltung der perfekten Schaltung unternehmen sollten.

Die transiente Signalanalyse in einfachen Schaltkreisen kann von Hand untersucht und durchgeführt werden, was Ihnen ermöglicht, die transiente Antwort als Funktion der Zeit zu plotten. Kompliziertere Schaltungen können von Hand schwer zu analysieren sein. Stattdessen können Sie während des Schaltungsdesigns eine zeitdomänenbezogene transiente Signalanalyse mit einem Simulator durchführen. Wenn Sie die richtige Designsoftware verwenden, benötigen Sie nicht einmal Programmierkenntnisse.

Definition von Transienten im Schaltungsentwurf

Formell können Transienten in Schaltungen auftreten, die als ein Satz gekoppelter linearer oder nichtlinearer Differentialgleichungen erster Ordnung (entweder autonom oder nicht-autonom) formuliert werden können. Die transiente Antwort kann auf verschiedene Weisen bestimmt werden. Meiner Meinung nach kann man die Art und Existenz einer transienten Antwort leicht mit dem Poincaré-Bendixson-Theorem bestimmen, das man leicht per Hand für jeden Satz gekoppelter Gleichungen ausarbeiten kann. Wenn diese Art von Manipulationen nicht Ihre Spezialität ist, machen Sie sich keine Sorgen; Sie können das transiente Verhalten im Zeitbereich mit einem SPICE-basierten Schaltungssimulator untersuchen.

Die transiente Antwort in einem zeitinvarianten Schaltkreis ohne Rückkopplung fällt in eines von drei Regimen:

• Überdämpft: eine langsam abklingende Antwort ohne Oszillation

• Kritisch gedämpft: die schnellstmögliche abklingende Antwort ohne Oszillation

• Unterdämpft: eine abklingende, oszillierende Antwort

Diese Antworten sind leicht in der Ausgabe aus einer Zeitbereichssimulation zu erkennen. Sie können die Analyse transienter Signale direkt von Ihrem Schaltplan aus mit einem SPICE-Simulator durchführen.

Werkzeuge für die Analyse transienter Signale im Zeitbereich

Der einfachste Weg, die Analyse transienter Signale zu erkunden und das Verhalten Ihrer Schaltkreise zu untersuchen, ist mit einer Zeitbereichssimulation. Diese Art von Simulation löst Kirchhoffs Gesetze für einen Schaltkreis im Zeitbereich unter Verwendung der Newton-Raphson-Methode oder numerischer Integrationsmethoden, abhängig von der Form des simulierten Schaltkreises. Diese und andere Methoden sind in SPICE-basierten Simulatoren integriert und müssen nicht explizit aufgerufen werden. Die andere Methode für die transiente Analyse beinhaltet die Anwendung der Laplace-Transformation auf den Schaltkreis, um die Pole und Nullstellen des Schaltkreises zu identifizieren.

Im Hinblick auf eine Schaltungssimulation können Sie direkt von Ihrem Schaltplan aus eine Simulation der transienten Signalanalyse durchführen. Dies erfordert die Berücksichtigung von zwei Aspekten des Verhaltens Ihres Schaltkreises:

• Treibendes Signal. Dies definiert die Änderung im Eingangsspannungs-/Strompegel, die eine transiente Antwort hervorruft. Dies kann eine Änderung zwischen zwei Signalpegeln (z. B. ein schaltendes digitales Signal), ein Absinken oder Ansteigen im aktuellen Eingangssignalpegel oder jede andere willkürliche Änderung im treibenden Signal umfassen. Sie können in Betracht ziehen, mit einem sinusförmigen Signal oder einer willkürlichen periodischen Wellenform zu treiben. Sie können auch die endliche Anstiegszeit eines Signals berücksichtigen, wenn es zwischen zwei Ebenen wechselt.

• Anfangsbedingungen. Diese definieren den Zustand der Schaltung im Moment, in dem das treibende Signal schwankt oder die treibende Wellenform eingeschaltet wird. Dabei wird angenommen, dass die Schaltung zum Zeitpunkt t = 0 ursprünglich im stationären Zustand war (d.h., es gab keine vorherige transiente Antwort in der Schaltung). Wenn die Anfangsbedingungen nicht spezifiziert sind, wird davon ausgegangen, dass die Spannung und der Strom bei t = 0 null sind.

Einfache Schaltung simuliert einen Einbruch der Eingangsspannung für die transiente Signalanalyse in Altium Designer

Sobald Sie die Simulation durchführen, erhalten Sie ein Ergebnis, das das Eingangssignal und den Ausgang überlagert, sodass Sie genau sehen können, wie unterschiedliche Änderungen der Signalpegel eine transiente Antwort erzeugen. Ein Beispiel für ein schaltendes digitales Signal wird unten gezeigt. In dieser Schaltung haben wir angenommen, dass die Anfangsbedingungen nicht spezifiziert wurden. Die transiente Antwort im Strom zeigt ein ernsthaftes Überschwingen und Unterschwingen, da die Antwort unterdämpft ist. Eine Lösung hierfür ist, etwas Serienwiderstand an der Quelle hinzuzufügen, um die Dämpfung zu erhöhen. Eine bessere Lösung ist, die Induktivität zu verringern oder die Kapazität in der Schaltung zu erhöhen, um die Antwort in den gedämpften Bereich zu bringen.

Beispiel Ergebnisse der transienten Signalanalyse

Schaltplan vs. Post-Layout Transiente Signalanalyse

Der Ausgang im obigen Diagramm ähnelt dem, was man in einer Reflexionswellenform-Simulation sehen würde, bei der einfallende und reflektierte Wellen in einer Post-Layout-Simulation verglichen werden. Der Unterschied in diesem Fall ist, dass wir im Schaltplan arbeiten, der keine parasitären Effekte auf der Leiterplatte berücksichtigt. In einer Post-Layout-Simulation werden parasitäre Effekte berücksichtigt, und die Ergebnisse Ihrer transienten Signalanalyse können einige Änderungen an Ihrem Layout oder Ihrem Lagenaufbau nahelegen, um das oben gezeigte Klingeln zu reduzieren.

Würden die oben genannten Ergebnisse in einer Post-Layout-Signalintegritäts-Simulation für eine Übertragungsleitung gesehen, ist eine Lösung, die Schleifeninduktivität in der Verbindung zu verringern und die Kapazität um einen proportionalen Betrag zu senken. Dies erhöht die Dämpfung im Schaltkreis, ohne die charakteristische Impedanz zu ändern. Dies verschiebt auch die Resonanzfrequenz im Schaltkreis auf einen höheren Wert, was die Amplitude des Klingelns verringert. Die andere Option ist eine Serienterminierung am Treiber.

Pole-Nullstellen-Analyse

Eine Alternative zur Zeitbereichssimulation ist die Verwendung von Pole-Nullstellen-Analyse. Diese Technik überführt den Schaltkreis in den Laplace-Bereich und berechnet die Pole und Nullstellen im Schaltkreis. Dies ermöglicht es Ihnen, sofort zu sehen, wie sich die transiente Signalantwort in Ihrem Schaltkreis verhält. Beachten Sie, dass diese Art der Simulation immer noch die Anfangsbedingungen in der transienten Signalanalyse berücksichtigen kann, sodass die Ergebnisse allgemeiner sind. Allerdings können Sie die Amplitude des transienten Signals nicht direkt sehen, da Sie das Verhalten der Eingangswellenform nicht explizit betrachten.

Stabilität und Instabilität in der transienten Signalanalyse

Der letzte Punkt, der hier zu beachten ist, ist die Möglichkeit der Instabilität in einem Schaltkreis, der Rückkopplung enthält. In typischen Schaltkreisen, die Sie in Ihrem PCB-Schema und Ihrem Layout untersuchen werden, werden Sie fast immer stabile transiente Signale antreffen. Das oben genannte Beispiel zeigt, wie eine stabile Antwort aussieht; obwohl es eine transiente Oszillation gibt, verfällt das Signal letztendlich in den stationären Zustand. In Schaltkreisen mit starker Rückkopplung kann die transiente Oszillation instabil werden und mit der Zeit anwachsen.

Verstärker sind ein bekanntes Beispiel, bei dem thermische Schwankungen oder eine starke unterdämpfte Reaktion die Antwort des Verstärkers instabil werden und in Gegenwart starker Rückkopplung sättigen lassen können. Nichtlineare zeitinvariante Schaltungen, die sättigen, werden diese instabil wachsende Amplitude schließlich zwingen, sich auf ein konstantes Niveau zu stabilisieren.

Bei der Analyse transienter Signale können Sie Instabilitäten im Zeitbereich leicht erkennen; dies wird im unterdämpften Regime als exponentiell wachsende Amplitude im Ausgang erscheinen. In der Pol-Nullstellen-Analyse sagt Ihnen ein Pol mit einem positiven Realteil, dass es eine instabile Antwort in der Schaltung gibt. Wenn Ihre Ergebnisse aus der Pol-Nullstellen-Analyse Ihnen sagen, dass es eine instabile Antwort gibt, können Sie dann eine Zeitbereichssimulation verwenden, um genau zu untersuchen, wie sich diese Antwort über die Zeit verhält.

Diese Vakuumröhren zeigen transiente Relaxationsoszillationen.

Wenn Sie mit dem umfassenden Satz von Signalintegritätswerkzeugen in Altium Designer^® arbeiten, können Sie leicht eine transiente Signalanalyse im Zeitbereich oder mit Pol-Nullstellen-Analyse durchführen. Die branchenüblichen Layout- und Simulationswerkzeuge sind ideal, um diese Simulationen direkt von Ihrem Schaltplan oder Layout aus zu betreiben. Diese Werkzeuge sind in eine einzige Plattform integriert, was ihre schnelle Eingliederung in Ihren Arbeitsablauf ermöglicht.

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