Phân tích Cực-Không và Phân tích Quá độ trong Thiết kế Mạch

Trong quá trình thiết kế mạch, luôn được khuyến khích thực hiện một số phân tích mạch trong miền tần số, miền thời gian, hoặc miền Laplace để hiểu rõ hành vi của mạch. Miền thời gian và miền Laplace liên quan đến nhau ở một lĩnh vực: phân tích chuyển tiếp, nơi chúng ta xem xét điều gì xảy ra với một mạch khi nó trải qua những thay đổi nhanh chóng trong sự kích thích của nó. Từ việc nhìn vào một hàm truyền trong miền Laplace hoặc miền tần số, có thể không rõ ràng là hành vi chuyển tiếp là gì.

Phân tích cực-zero bao gồm phân tích hàm truyền cho một mạch tuyến tính bất biến theo thời gian để xác định tốc độ phản ứng chuyển tiếp của nó giảm dần. Cuối cùng, mạch đạt đến trạng thái cân bằng và thể hiện hành vi trạng thái ổn định của nó. Mặc dù điều này có thể được xem trong miền thời gian với một mô phỏng chuyển tiếp, những mô phỏng này có thể mất nhiều thời gian và phải có cài đặt độ phân giải thời gian chính xác để đạt được kết quả chính xác. Phân tích cực-zero là một phương pháp nhanh chóng thay thế hoạt động trong miền Laplace, và nó dễ dàng truy cập thông qua động cơ mô phỏng SPICE trong Altium Designer.

Phân Tích Cực-Zero trong Phân Tích Chuyển Tiếp

Phân tích Cực-Không cho phép bạn xác định sự ổn định của một hệ thống tuyến tính đơn vào, đơn ra, bằng cách tính toán các cực và/hoặc không của hàm chuyển đổi AC tín hiệu nhỏ cho mạch. Điểm hoạt động DC của mạch được tìm ra và sau đó được tuyến tính hóa, các mô hình tín hiệu nhỏ cho tất cả các thiết bị phi tuyến trong mạch được xác định. Mạch này sau đó được sử dụng để tìm các cực và không thỏa mãn hàm chuyển đổi.

Hàm chuyển đổi có thể hiển thị tăng cường điện áp (điện áp ra/điện áp vào) hoặc trở kháng (điện áp ra/dòng điện vào). Cách tiếp cận truyền thống là hiển thị tăng cường điện áp. Trong phân tích Cực-Không, chúng ta thực sự bỏ qua hàm chuyển đổi để lấy ba thông tin quan trọng:

• Hằng số giảm xóc cho phản ứng tạm thời
• Tần số dao động tự nhiên cho phản ứng tạm thời
• Tần số kích thích mà thể hiện phản ứng bằng không

Nếu bạn đã quen với các hàm chuyển đổi và biến đổi Laplace, thì bạn đã quen với ý tưởng về cực và không điểm trong phản ứng của mạch. Phân tích cực dựa trên việc tính toán hằng số giảm xóc và tần số dao động trong một mạch, hiệu quả cho thấy giá trị cực đại trong hàm chuyển đổi. Hầu hết các mạch chỉ liên quan đến đạo hàm bậc nhất hoặc bậc hai của điện tích trong mạch, kết quả từ mô phỏng cực-không thường sẽ tiết lộ hai cực có thể có trong mạch của bạn. Các mạch bậc cao hơn có thể có nhiều cực và/hoặc không điểm hơn (3 hoặc nhiều hơn). Việc tính toán các giá trị này bằng tay trực tiếp từ hàm chuyển đổi cho mạch phức tạp rất khó khăn vì có thể yêu cầu giải một đa thức bậc ba hoặc cao hơn, và vấn đề có thể trở nên không thể giải quyết được.

Phân tích cực-không tự động hóa quá trình này cho bạn. Ví dụ dưới đây cho thấy kết quả từ phân tích cực-không. Nếu chúng ta nhìn vào biểu đồ, chúng ta thấy có hai cực và một không điểm. Lưu ý rằng các phần thực của các giá trị này là âm. Hai cực là liên hợp phức của nhau (như chúng nên thế), và không điểm nằm dọc theo trục thực.

Ví dụ và Cài đặt

Một ví dụ về mạch có thể được phân tích bằng phân tích cực-không là được hiển thị dưới đây

Trong Altium Designer, phân tích cực-không hoạt động với các thành phần như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, nguồn điều khiển tuyến tính, nguồn độc lập, diode, BJT, MOSFET, và JFET. Đường truyền không được hỗ trợ nhưng chúng có thể được mô hình hóa trong sơ đồ như một mạch phần tử tập trung miễn là giá trị RLCG được biết. Mạch trên được giả định có các tính chất sau:

• Giá trị phần tử mạch không đổi theo thời gian
• E1 hoạt động trong phạm vi tuyến tính (không bị giới hạn)

Phân tích cực-không được thiết lập trong khu vực Thiết lập Phân tích & Chạy trong Bảng Điều Khiển Mô Phỏng (cuộn xuống đến #3, nhấp vào mục Phân Tích Cực-Không trong phần Nâng cao). Một ví dụ về cài đặt cho loại phân tích này được hiển thị trong hình dưới đây:

Một phép tính phân tích cực-không yêu cầu các định nghĩa tham số sau:

• Nút Đầu Vào - nút đầu vào dương cho mạch.
• Nút Tham Chiếu Đầu Vào - nút tham chiếu cho đầu vào của mạch (Mặc định = 0 (GND)).
• Nút Đầu Ra - nút đầu ra dương cho mạch.
• Nút Tham Chiếu Đầu Ra - nút tham chiếu cho đầu ra của mạch (Mặc định = 0 (GND)).
• Loại Hàm Chuyển - xác định loại hàm chuyển tín hiệu nhỏ ac được sử dụng cho mạch khi tính toán các cực và/hoặc không điểm. Có hai loại có sẵn:
• V(đầu ra)/V(đầu vào) - Hàm Chuyển Điện Áp.
• V(đầu ra)/I(đầu vào) - Hàm Chuyển Trở Kháng.
• Loại Phân Tích - cho phép bạn tinh chỉnh thêm vai trò của việc phân tích. Chọn tìm tất cả các cực thỏa mãn hàm chuyển của mạch (Chỉ Cực), tất cả các không điểm (Chỉ Không Điểm), hoặc cả Cực và Không Điểm.

Phương pháp sử dụng trong phân tích là tìm kiếm số học không tối ưu. Đối với các mạch lớn, có thể mất một thời gian đáng kể hoặc không tìm thấy tất cả các cực và không điểm. Đối với một số mạch, phương pháp trở nên "lạc lối" và tìm thấy một số lượng quá mức các cực hoặc không điểm. Nếu có sự không hội tụ trong việc tìm cả cực và không điểm, tinh chỉnh phân tích để chỉ tính toán cực hoặc chỉ không điểm.

Kết quả mô phỏng được hiển thị trên tab Phân tích Cực-Không của cửa sổ Phân tích Dạng sóng.

Ví dụ về kết quả từ phân tích cực-không như một phần của phân tích chuyển tiếp

Giải thích Kết quả

Các giá trị trên trục ảo là tần số tự nhiên và trục thực biểu thị tốc độ suy giảm chuyển tiếp (hằng số giảm xóc). Vị trí của các cực cho chúng ta biết bốn điều trong phân tích chuyển tiếp.

1. Phần thực của cực là hằng số giảm xóc trong mạch. Trong biểu đồ trên, phần thực của các cực là âm, nghĩa là phản ứng chuyển tiếp sẽ suy giảm theo thời gian.
2. Phần ảo là tần số mà phản ứng chuyển tiếp sẽ dao động (khoảng 1 kHz). Trong trường hợp này, phản ứng chuyển tiếp sẽ tạo ra dao động chưa giảm xóc. Lưu ý rằng, nếu các cực nằm ở nửa phải của đồ thị (tức là, phần thực của các cực là dương), thì hệ thống này sẽ không ổn định với chu kỳ giới hạn phân kỳ, và phản ứng chuyển tiếp sẽ tăng theo thời gian.
3. Các cực nằm tại x = 0 là tần số cộng hưởng tương ứng với việc kích thích hài hòa bằng tín hiệu AC.
4. Các không điểm của một hàm truyền đề cập đến các tần số cụ thể tạo ra đầu ra bằng không trong mạch.

Nếu bạn hoàn thành phân tích cực-không và phát hiện ra rằng mạch của bạn có phản ứng không mong muốn (tức là, phản ứng kém giảm xóc trong mạng ghép nối trở kháng), bạn có thể lặp lại việc thử nghiệm với các giá trị linh kiện khác nhau trong mạch để xác định các giá trị linh kiện tạo ra phản ứng mong muốn. Điều này cho phép bạn giảm xóc một cách quan trọng phản ứng trong mạch của mình sao cho bạn có thể loại bỏ hiện tượng overshoot/undershoot.

Khi bạn làm việc với các công cụ mô phỏng mạch trong Altium Designer^®, bạn sẽ không phải thực hiện phân tích chuyển tiếp bằng tay. Các công cụ thiết kế và mô phỏng mạch chuẩn công nghiệp là lý tưởng cho thiết kế mạch, mô phỏng mạch, bố trí PCB, và nhiều hơn nữa. Những công cụ này được tích hợp vào một nền tảng duy nhất, cho phép chúng được nhanh chóng kết hợp vào quy trình làm việc của bạn.

Liên hệ với chúng tôi hoặc tải xuống bản dùng thử miễn phí nếu bạn quan tâm muốn tìm hiểu thêm về Altium Designer. Bạn sẽ có quyền truy cập vào các công cụ bố trí, mô phỏng và quản lý dữ liệu tốt nhất của ngành trong một chương trình duy nhất. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.