Narzędzia do analizy sygnałów przejściowych w projektowaniu obwodów

Możesz przeprowadzić analizę sygnałów przejściowych w dowolnym z tych obwodów, używając odpowiedniego symulatora.

Wciąż pamiętam moje pierwsze zajęcia z równań różniczkowych. Jednym z pierwszych omawianych tematów były obwody oscylatorów tłumionych i odpowiedź sygnału przejściowego, która pojawia się w wielu różnych systemach fizycznych. Odpowiedź przejściowa w połączeniach i na szynach zasilających na płytce PCB jest źródłem błędów bitowych, jittera czasowego i innych problemów z integralnością sygnału. Możesz określić, które kroki projektowe należy podjąć na drodze do zaprojektowania idealnego obwodu dzięki analizie sygnałów przejściowych.

Analizę sygnałów przejściowych w prostych obwodach można zbadać i rozwiązać ręcznie, co pozwala na wykreślenie odpowiedzi przejściowej jako funkcji czasu. Bardziej skomplikowane obwody mogą być trudne do analizy ręcznie. Zamiast tego, możesz przeprowadzić analizę sygnałów przejściowych w dziedzinie czasu podczas projektowania schematycznego, używając symulatora. Nie będziesz nawet potrzebować umiejętności kodowania, jeśli użyjesz odpowiedniego oprogramowania do projektowania.

Definiowanie sygnałów przejściowych w projektowaniu obwodów

Formalnie, przejściowe mogą występować w obwodach, które można zapisać jako zestaw sprzężonych równań różniczkowych pierwszego rzędu, liniowych lub nieliniowych (autonomicznych lub nieautonomicznych). Odpowiedź przejściową można określić na kilka sposobów. Moim zdaniem, łatwo można określić typ i istnienie odpowiedzi przejściowej, korzystając z twierdzenia Poincare'a-Bendixsona, które można łatwo rozwiązać ręcznie dla dowolnego zestawu sprzężonych równań. Jeśli tego typu manipulacje nie są twoją specjalnością, nie martw się; możesz zbadać zachowanie przejściowe w dziedzinie czasu za pomocą symulatora obwodów opartego na SPICE.

Odpowiedź przejściowa w obwodzie niezmiennym w czasie bez sprzężenia zwrotnego wpada w jedną z trzech kategorii:

• Nadkrytyczna: wolno zanikająca odpowiedź bez oscylacji

• Krytycznie tłumiona: najszybciej zanikająca odpowiedź bez oscylacji

• Podkrytyczna: zanikająca odpowiedź z oscylacjami

Te odpowiedzi są łatwe do zobaczenia w wynikach symulacji w dziedzinie czasu. Możesz przeprowadzić analizę sygnałów przejściowych bezpośrednio ze swojego schematu, korzystając z symulatora SPICE.

Narzędzia do analizy sygnałów przejściowych w dziedzinie czasu

Najprostszym sposobem na zbadanie analizy sygnałów przejściowych i zbadanie zachowania twoich obwodów jest symulacja w dziedzinie czasu. Ten typ symulacji rozwiązuje prawa Kirchhoffa dla obwodu w dziedzinie czasu, używając metody Newtona-Raphsona lub metod integracji numerycznej, w zależności od formy symulowanego obwodu. Te i inne metody są zintegrowane z symulatorami opartymi na SPICE i nie muszą być wywoływane jawnie. Inną metodą analizy przejściowej jest zastosowanie transformacji Laplace'a do obwodu, aby zidentyfikować bieguny i zera obwodu.

Pod względem symulacji obwodu, możesz bezpośrednio z twojego schematu uruchomić symulację analizy sygnałów przejściowych. Wymaga to uwzględnienia dwóch aspektów zachowania twojego obwodu:

• Sygnał sterujący. Definiuje to zmianę w poziomie napięcia/wejściowego prądu, która indukuje odpowiedź przejściową. Może to obejmować zmianę między dwoma poziomami sygnału (np. przełączający sygnał cyfrowy), spadek lub skok w poziomie sygnału wejściowego prądu, lub jakąkolwiek inną arbitralną zmianę w sygnale sterującym. Możesz rozważyć sterowanie sygnałem sinusoidalnym lub dowolną okresową formą fali. Możesz również uwzględnić skończony czas narastania sygnału, gdy przełącza się między dwoma poziomami.

• Warunki początkowe. Określają one stan obwodu w momencie, gdy sygnał sterujący ulega zmianie lub gdy zostaje włączona forma fali sterującej. Zakłada się, że w chwili t = 0, obwód był początkowo w stanie ustalonym (tj. nie występowała wcześniej żadna przejściowa odpowiedź w obwodzie). Jeśli warunki początkowe nie są określone, zakłada się, że napięcie i prąd są równe zero w chwili t = 0.

Prosty obwód symulujący spadek napięcia wejściowego dla analizy sygnału przejściowego w Altium Designer

Po uruchomieniu symulacji, zostaniesz zaprezentowany z wynikiem, który nakłada sygnał wejściowy i wyjściowy, pozwalając dokładnie zobaczyć, jak różne zmiany poziomów sygnału wywołują odpowiedź przejściową. Przykład dla przełączającego sygnału cyfrowego jest pokazany poniżej. W tym obwodzie założyliśmy, że warunki początkowe nie zostały określone. Przejściowa odpowiedź w prądzie wykazuje poważne przeregulowanie i niedoregulowanie, ponieważ odpowiedź jest niedotłumiona. Jednym z rozwiązań jest dodanie pewnego oporu szeregowego przy źródle, aby zwiększyć tłumienie. Lepszym rozwiązaniem jest zmniejszenie indukcyjności lub zwiększenie pojemności w obwodzie, aby doprowadzić odpowiedź do reżimu tłumionego.

Przykładowe wyniki analizy sygnału przejściowego

Schematyczna analiza sygnału przejściowego vs. analiza sygnału przejściowego po rozmieszczeniu

Wyjście na powyższym wykresie jest podobne do tego, co zobaczylibyśmy w symulacji fali odbitej, gdzie porównywane są fale padające i odbite w symulacji po układzie. Różnica w tym przypadku polega na tym, że pracujemy na schemacie, który nie uwzględnia pasożytniczych elementów PCB. W symulacji po układzie pasożytnicze elementy są brane pod uwagę, a wyniki analizy sygnałów przejściowych mogą poinformować o pewnych zmianach w układzie lub stosie warstw, aby zmniejszyć dzwonienie pokazane powyżej.

Jeśli powyższe wyniki zostałyby zaobserwowane w symulacji integralności sygnału po układzie dla linii transmisyjnej, jednym z rozwiązań jest zmniejszenie indukcyjności pętli w połączeniu i proporcjonalne zmniejszenie pojemności. Spowoduje to zwiększenie tłumienia w obwodzie bez zmiany impedancji charakterystycznej. Przesuwa to również częstotliwość rezonansową w obwodzie na wyższą wartość, co zmniejsza amplitudę dzwonienia. Inną opcją jest zakończenie szeregowe przy sterowniku.

Analiza biegunów i zer

Alternatywą dla symulacji w dziedzinie czasu jest użycie analizy biegunów i zer. Ta technika przenosi obwód do dziedziny Laplace'a i oblicza bieguny oraz zera w obwodzie. Pozwala to natychmiast zobaczyć, jak zachowuje się przejściowa odpowiedź sygnału w twoim obwodzie. Należy zauważyć, że ten typ symulacji może nadal uwzględniać warunki początkowe w analizie sygnałów przejściowych, więc wyniki są bardziej ogólne. Jednak nie można bezpośrednio zobaczyć amplitudy sygnału przejściowego, ponieważ nie rozważa się wyraźnie zachowania fali wejściowej.

Stabilność i niestabilność w analizie sygnałów przejściowych

Ostatnią kwestią, na którą warto zwrócić uwagę, jest możliwość niestabilności w obwodzie zawierającym sprzężenie zwrotne. W typowych obwodach, które będziesz badać w swoim schemacie PCB i układzie, prawie zawsze napotkasz stabilne sygnały przejściowe. Powyższy przykład pokazuje, jak wygląda stabilna odpowiedź; chociaż występuje przejściowa oscylacja, sygnał ostatecznie zanika do stanu ustalonego. W obwodach z silnym sprzężeniem zwrotnym, oscylacja przejściowa może stać się niestabilna i rosnąć z czasem.

Wzmacniacze są dobrze znanym przypadkiem, gdzie fluktuacje termiczne lub silna odpowiedź niedotłumiona mogą prowadzić do niestabilności wzmacniacza i nasycenia w obecności silnego sprzężenia zwrotnego. Nieliniowe obwody niezmienne w czasie, które ulegają nasyceniu, ostatecznie zmuszą tę niestabilnie rosnącą amplitudę do ustabilizowania się na stałym poziomie.

W analizie sygnałów przejściowych łatwo można zauważyć niestabilność w dziedzinie czasu; objawi się to w reżimie niedotłumionym jako eksponencjalnie rosnąca amplituda na wyjściu. W analizie biegunów i zer, biegun z dodatnią częścią rzeczywistą informuje o niestabilnej odpowiedzi w obwodzie. Jeśli wyniki analizy biegunów i zer wskazują na niestabilną odpowiedź, możesz następnie użyć symulacji w dziedzinie czasu, aby dokładnie zbadać, jak ta odpowiedź zachowuje się w czasie.

Te lampy próżniowe wykazują przejściowe oscylacje relaksacyjne.

Kiedy pracujesz z kompleksowym zestawem narzędzi do analizy integralności sygnału w Altium Designer^®, możesz łatwo przeprowadzić analizę sygnału przejściowego w dziedzinie czasu lub za pomocą analizy biegunów i zer. Standardowe w branży narzędzia do projektowania i symulacji są idealne do bezpośredniego uruchamiania tych symulacji z twojego schematu lub układu. Narzędzia te są zintegrowane w jedną platformę, co pozwala na ich szybkie włączenie do twojego procesu pracy.

Skontaktuj się z nami lub pobierz bezpłatną wersję próbną, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o Altium Designer. Będziesz miał dostęp do najlepszych w branży narzędzi do projektowania układów, symulacji i zarządzania danymi w jednym programie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.