회로 설계에서의 과도 신호 분석 도구

적절한 시뮬레이터를 사용하면 이러한 회로들을 가지고 과도 신호 분석을 수행할 수 있습니다.

저는 여전히 제 첫 미분 방정식 수업을 기억합니다. 처음 다룬 주제 중 하나는 감쇠 진동 회로와 많은 다른 물리 시스템에서 발생하는 과도 신호 응답이었습니다. PCB의 연결부와 전원 레일에서의 과도 응답은 비트 오류, 타이밍 지터 및 기타 신호 무결성 문제의 원인이 됩니다. 과도 신호 분석을 통해 완벽한 회로 설계로 가는 길에 어떤 설계 단계를 밟아야 할지 결정할 수 있습니다.

간단한 회로에서의 과도 신호 분석은 손으로 검토하고 계산할 수 있어, 시간의 함수로 과도 응답을 그래프로 그릴 수 있습니다. 더 복잡한 회로는 손으로 분석하기 어려울 수 있습니다. 대신, 시뮬레이터를 사용하여 스키마 디자인 중에 시간 영역 과도 신호 분석을 수행할 수 있습니다. 올바른 디자인 소프트웨어를 사용하면 코딩 기술조차 필요하지 않습니다.

회로 설계에서 과도 현상 정의하기

공식적으로, 과도 현상은 일련의 결합된 일차 선형 또는 비선형 미분 방정식(자율적이거나 비자율적인)으로 기술될 수 있는 회로에서 발생할 수 있습니다. 과도 응답은 여러 가지 방법으로 결정될 수 있습니다. 제 생각에, 결합된 방정식 세트에 대해 손쉽게 수행할 수 있는 Poincare-Bendixson 정리를 사용하여 과도 응답의 유형과 존재를 쉽게 결정할 수 있습니다. 이러한 유형의 조작이 전문 분야가 아니라면 걱정하지 마십시오; SPICE 기반 회로 시뮬레이터를 사용하여 시간 영역에서 과도 현상을 검토할 수 있습니다.

피드백이 없는 시간 불변 회로에서의 과도 응답은 세 가지 체제 중 하나에 속합니다:

• 과감쇠: 진동 없이 천천히 감소하는 응답

• 임계감쇠: 진동 없이 가능한 가장 빠르게 감소하는 응답

• 미감쇠: 감소하면서 진동하는 응답

이러한 응답은 시간 영역 시뮬레이션의 출력에서 쉽게 볼 수 있습니다. SPICE 시뮬레이터를 사용하여 회로도에서 직접 과도 신호 분석을 수행할 수 있습니다.

시간 영역에서 과도 신호 분석을 위한 도구

가장 간단한 방법으로 과도 신호 분석을 탐색하고 회로의 동작을 검토하는 것은 시간 영역 시뮬레이션을 사용하는 것입니다. 이 유형의 시뮬레이션은 뉴턴-랩슨 방법이나 수치적분 방법을 사용하여 시간 영역에서 회로의 키르히호프 법칙을 해결합니다. 이는 시뮬레이션되는 회로의 형태에 따라 달라집니다. 이러한 방법들과 다른 방법들은 SPICE 기반 시뮬레이터에 통합되어 있으며 명시적으로 호출할 필요가 없습니다. 과도 분석을 위한 다른 방법은 회로의 라플라스 변환을 취하여 회로의 극점과 영점을 식별하는 것입니다.

회로 시뮬레이션 측면에서, 회로도에서 직접 과도 신호 분석 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 이는 회로의 동작의 두 가지 측면을 고려해야 합니다:

• 구동 신호. 이는 과도 응답을 유발하는 입력 전압/전류 수준의 변화를 정의합니다. 이는 두 신호 수준 간의 변화(즉, 스위칭 디지털 신호), 현재 입력 신호 수준의 드롭 또는 스파이크, 또는 구동 신호의 다른 임의의 변화를 포함할 수 있습니다. 사인파 신호나 임의의 주기적 파형으로 구동하는 것을 고려할 수 있습니다. 또한 신호가 두 수준 사이에서 전환될 때의 유한 상승 시간을 고려할 수도 있습니다.

• 초기 조건. 이것은 구동 신호가 변동하거나 구동 파형이 켜질 때 회로의 상태를 정의합니다. 이것은 시간 t = 0에서 회로가 처음에는 정상 상태(즉, 회로에서 이전의 과도 응답이 없었음)에 있었다고 가정합니다. 초기 조건이 지정되지 않은 경우, t = 0에서 전압과 전류가 0이라고 가정합니다.

Altium Designer에서 입력 전압이 감소하는 간단한 회로를 시뮬레이션하여 과도 신호 분석

시뮬레이션을 실행하면, 입력 신호와 출력이 중첩되어 표시되는 출력을 볼 수 있으며, 신호 수준의 다양한 변화가 과도 응답을 어떻게 생성하는지 정확히 볼 수 있습니다. 아래에는 스위칭 디지털 신호에 대한 예가 나와 있습니다. 이 회로에서는 초기 조건이 명시되지 않았다고 가정했습니다. 전류의 과도 응답은 응답이 과소감쇠되어 심각한 오버슈트와 언더슈트를 나타냅니다. 여기서 한 가지 해결책은 소스에 일련의 저항을 추가하여 감쇠를 증가시키는 것입니다. 더 나은 해결책은 회로에서 인덕턴스를 감소시키거나 용량을 증가시켜 응답을 감쇠된 상태로 만드는 것입니다.

과도 신호 분석 결과 예

스키마틱 대비 포스트-레이아웃 과도 신호 분석

위 그래프의 출력은 반사파 형태의 시뮬레이션에서 볼 수 있는 것과 유사한데, 여기서는 입사파와 반사파가 포스트-레이아웃 시뮬레이션에서 비교됩니다. 이 경우의 차이점은 우리가 스키마틱에서 작업하고 있으며, 이는 PCB의 기생성분을 고려하지 않는다는 것입니다. 포스트-레이아웃 시뮬레이션에서는 기생성분이 고려되며, 귀하의 과도 신호 분석 결과는 레이아웃이나 레이어 스택을 변경하여 위에 표시된 링잉을 줄일 수 있습니다.

위 결과가 전송선의 포스트-레이아웃 신호 무결성 시뮬레이션에서 관찰된다면, 하나의 해결책은 인터커넥트의 루프 인덕턴스를 감소시키고, 비례적으로 커패시턴스를 감소시키는 것입니다. 이는 특성 임피던스를 변경하지 않고 회로의 감쇠를 증가시킵니다. 이는 또한 회로의 공진 주파수를 더 높은 값으로 이동시켜 링잉의 진폭을 감소시킵니다. 다른 옵션은 드라이버에서의 직렬 종단입니다.

극-영점 분석

시간 영역 시뮬레이션의 대안으로 극-영점 분석을 사용할 수 있습니다. 이 기술은 회로를 라플라스 영역으로 가져와서 회로 내의 극과 영점을 계산합니다. 이를 통해 회로에서 과도 신호 응답이 어떻게 동작하는지 즉시 확인할 수 있습니다. 이 유형의 시뮬레이션은 과도 신호 분석에서 초기 조건을 여전히 고려할 수 있으므로 결과가 더 일반적입니다. 그러나 입력 파형의 동작을 명시적으로 고려하지 않기 때문에 과도 신호의 진폭을 직접 볼 수는 없습니다.

과도 신호 분석에서의 안정성과 불안정성

여기서 주목해야 할 최종 포인트는 피드백을 포함하는 회로에서 불안정성의 가능성입니다. PCB 스키마틱과 레이아웃에서 검토할 일반적인 회로에서는 거의 항상 안정된 과도 신호를 마주하게 됩니다. 위의 예시는 안정된 응답이 어떻게 보이는지 보여줍니다; 과도 진동이 있지만, 신호는 결국 정상 상태로 감소합니다. 강한 피드백을 가진 회로에서는 과도 진동이 불안정해지고 시간이 지남에 따라 증가할 수 있습니다.

증폭기는 열 변동이나 강한 미압진 응답으로 인해 강한 피드백이 있을 때 증폭기의 응답이 불안정해지고 포화 상태에 이를 수 있는 잘 알려진 경우입니다. 포화 상태에 이르는 비선형 시불변 회로는 결국 이 불안정한 증가하는 진폭을 일정한 수준으로 안정화하도록 강제할 것입니다.

일시적 신호 분석에서는 시간 영역에서 불안정성을 쉽게 발견할 수 있습니다; 이는 미압진 영역에서 출력에서 지수적으로 증가하는 진폭으로 나타납니다. 극-영점 분석에서, 양의 실수 부분을 가진 극은 회로에 불안정한 응답이 있음을 알려줍니다. 극-영점 분석 결과가 불안정한 응답이 있음을 알려준다면, 시간 영역 시뮬레이션을 사용하여 이 응답이 시간에 따라 어떻게 동작하는지 정확히 조사할 수 있습니다.

이 진공관은 일시적인 이완 진동을 나타냅니다.

신호 무결성 도구의 포괄적인 세트를 Altium Designer^®에서 작업할 때, 시간 영역에서 일시적 신호 분석을 쉽게 실행하거나 극-영점 분석을 사용할 수 있습니다. 업계 표준 레이아웃 및 시뮬레이션 도구는 회로도나 레이아웃에서 직접 이러한 시뮬레이션을 실행하기에 이상적입니다. 이 도구들은 단일 플랫폼으로 통합되어 있어 워크플로우에 빠르게 통합될 수 있습니다.

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