Công cụ Phân tích Tín hiệu Biến thiên trong Thiết kế Mạch

Bạn có thể thực hiện phân tích tín hiệu biến thiên với bất kỳ mạch nào với bộ mô phỏng phù hợp.

Tôi vẫn nhớ lớp phương trình vi phân đầu tiên của mình. Một trong những chủ đề đầu tiên được thảo luận là mạch dao động giảm xóc và phản ứng tín hiệu biến thiên, xuất hiện trong nhiều hệ thống vật lý khác nhau. Phản ứng biến thiên trong kết nối và trên đường dây nguồn trong PCB của bạn là nguồn gốc của lỗi bit, jitter thời gian, và các vấn đề khác về tính toàn vẹn tín hiệu. Bạn có thể xác định các bước thiết kế cần thực hiện trên con đường thiết kế mạch hoàn hảo với phân tích tín hiệu biến thiên.

Phân tích tín hiệu biến thiên trong các mạch đơn giản có thể được xem xét và giải quyết bằng tay, cho phép bạn vẽ đồ thị phản ứng biến thiên theo thời gian. Các mạch phức tạp hơn có thể khó phân tích bằng tay. Thay vào đó, bạn có thể thực hiện phân tích tín hiệu biến thiên theo thời gian trong quá trình thiết kế sơ đồ sử dụng bộ mô phỏng. Bạn thậm chí không cần kỹ năng lập trình nếu sử dụng phần mềm thiết kế phù hợp.

Định nghĩa Biến thiên trong Thiết kế Mạch

Một cách chính thức, các hiện tượng tạm thời có thể xảy ra trong các mạch có thể được mô tả như một tập hợp các phương trình vi phân tuyến tính hoặc phi tuyến tính bậc nhất kết hợp (dù là tự lập hay không tự lập). Phản ứng tạm thời có thể được xác định theo nhiều cách. Theo ý kiến của tôi, bạn có thể dễ dàng xác định loại và sự tồn tại của phản ứng tạm thời sử dụng định lý Poincare-Bendixson, có thể dễ dàng giải quyết bằng tay cho bất kỳ tập hợp phương trình kết hợp nào. Nếu những loại thao tác này không phải là chuyên môn của bạn, đừng lo lắng; bạn có thể kiểm tra hành vi tạm thời trong miền thời gian với một bộ mô phỏng mạch dựa trên SPICE.

Phản ứng tạm thời trong một mạch không biến đổi theo thời gian mà không có phản hồi thuộc vào một trong ba chế độ:

• Quá giảm: một phản ứng giảm chậm không có dao động

• Giảm tới hạn: phản ứng giảm nhanh nhất có thể mà không có dao động

• Dưới giảm: một phản ứng giảm, dao động

Những phản ứng này dễ dàng thấy trong kết quả từ mô phỏng miền thời gian. Bạn có thể thực hiện phân tích tín hiệu tạm thời trực tiếp từ sơ đồ của mình sử dụng một bộ mô phỏng SPICE.

Công cụ cho Phân Tích Tín Hiệu Tạm Thời trong Miền Thời Gian

Cách đơn giản nhất để khám phá phân tích tín hiệu biến thiên và xem xét hành vi của mạch của bạn là thông qua mô phỏng miền thời gian. Loại mô phỏng này giải các định luật Kirchoff cho một mạch trong miền thời gian sử dụng phương pháp Newton-Raphson hoặc phương pháp tích phân số, tùy thuộc vào dạng của mạch đang được mô phỏng. Những phương pháp này và các phương pháp khác được tích hợp vào các bộ mô phỏng dựa trên SPICE và không cần phải được gọi một cách rõ ràng. Phương pháp khác cho phân tích biến thiên bao gồm việc lấy biến đổi Laplace của mạch để xác định các cực và không điểm của mạch.

Trong khuôn khổ mô phỏng mạch, bạn có thể chạy mô phỏng phân tích tín hiệu biến thiên trực tiếp từ sơ đồ của bạn. Điều này đòi hỏi phải tính đến hai khía cạnh của hành vi mạch của bạn:

• Tín hiệu điều khiển. Điều này xác định sự thay đổi trong mức điện áp/dòng điện đầu vào làm phát sinh phản ứng biến thiên. Điều này có thể liên quan đến sự thay đổi giữa hai mức tín hiệu (tức là, một tín hiệu số chuyển đổi), sự giảm sút hoặc tăng đột ngột trong mức tín hiệu dòng điện đầu vào, hoặc bất kỳ sự thay đổi tùy ý nào khác trong tín hiệu điều khiển. Bạn có thể xem xét việc điều khiển bằng một tín hiệu hình sin hoặc một dạng sóng tuần hoàn tùy ý. Bạn cũng có thể tính đến thời gian tăng hữu hạn của một tín hiệu khi nó chuyển đổi giữa hai mức.

• Điều kiện ban đầu. Điều này xác định trạng thái của mạch tại thời điểm tín hiệu điều khiển biến đổi hoặc sóng điều khiển được bật. Điều này giả định rằng, tại thời điểm t = 0, mạch ban đầu ở trạng thái ổn định (nghĩa là, trước đó không có phản ứng quá độ nào trong mạch). Nếu điều kiện ban đầu không được chỉ định, thì giả định rằng điện áp và dòng điện là không tại t = 0.

Mạch đơn giản mô phỏng sự giảm điện áp đầu vào cho phân tích tín hiệu quá độ trong Altium Designer

Sau khi bạn chạy mô phỏng, bạn sẽ được trình bày một kết quả chồng lên tín hiệu đầu vào và đầu ra, cho phép bạn thấy chính xác làm thế nào các thay đổi khác nhau về mức tín hiệu tạo ra phản ứng quá độ. Một ví dụ cho tín hiệu số chuyển mạch được hiển thị dưới đây. Trong mạch này, chúng tôi giả định rằng điều kiện ban đầu không được chỉ định. Phản ứng quá độ trong dòng điện thể hiện sự vượt quá và hụt giá trị nghiêm trọng vì phản ứng dưới giảm xóc. Một giải pháp ở đây là thêm một số điện trở nối tiếp tại nguồn để tăng cường giảm xóc. Một giải pháp tốt hơn là giảm độ tự cảm hoặc tăng dung lượng trong mạch để đưa phản ứng vào chế độ giảm xóc.

Ví dụ kết quả phân tích tín hiệu quá độ

Sơ đồ so với Phân tích Tín hiệu Quá độ Sau Bố trí

Đầu ra trong biểu đồ trên tương tự như những gì bạn sẽ thấy trong một mô phỏng sóng phản xạ, nơi sóng tới và sóng phản xạ được so sánh trong một mô phỏng sau bố trí. Sự khác biệt trong trường hợp này là chúng ta đang làm việc trên sơ đồ, điều này không tính đến các thành phần nhiễu xạ trên PCB. Trong một mô phỏng sau bố trí, các thành phần nhiễu xạ được xem xét, và kết quả phân tích tín hiệu chuyển tiếp của bạn có thể thông báo một số thay đổi đối với bố trí hoặc chồng lớp của bạn để giảm hiện tượng rung được hiển thị ở trên.

Nếu kết quả trên được thấy trong một mô phỏng tính toán tính toàn vẹn tín hiệu sau bố trí cho một đường truyền, một giải pháp là giảm độ tự cảm của vòng trong kết nối và giảm điện dung một lượng tỷ lệ. Điều này sẽ tăng cường độ giảm xóc trong mạch mà không thay đổi trở kháng đặc trưng. Điều này cũng dịch chuyển tần số cộng hưởng trong mạch lên một giá trị cao hơn, giảm biên độ rung. Lựa chọn khác là chấm dứt chuỗi tại bộ điều khiển.

Phân Tích Cực- Không

Một phương pháp thay thế cho mô phỏng miền thời gian là sử dụng phân tích cực - không. Kỹ thuật này đưa mạch vào miền Laplace và tính toán các cực và không của mạch. Điều này cho phép bạn ngay lập tức thấy được cách thức phản ứng tín hiệu chuyển tiếp trong mạch của bạn. Lưu ý rằng loại mô phỏng này vẫn có thể xem xét các điều kiện ban đầu trong phân tích tín hiệu chuyển tiếp, vì vậy kết quả là tổng quát hơn. Tuy nhiên, bạn không thể trực tiếp thấy được biên độ của tín hiệu chuyển tiếp vì bạn không rõ ràng xem xét hành vi của dạng sóng đầu vào.

Ổn định và Không ổn định trong Phân tích Tín hiệu Chuyển tiếp

Điểm cuối cùng cần lưu ý ở đây là khả năng không ổn định trong một mạch chứa phản hồi. Trong các mạch điển hình mà bạn sẽ xem xét trong sơ đồ PCB và bố trí của bạn, bạn hầu như luôn gặp phải tín hiệu chuyển tiếp ổn định. Ví dụ trên cho thấy phản ứng ổn định trông như thế nào; mặc dù có dao động chuyển tiếp, tín hiệu cuối cùng sẽ giảm xuống trạng thái ổn định. Trong các mạch có phản hồi mạnh, dao động chuyển tiếp có thể trở nên không ổn định và tăng theo thời gian.

Các bộ khuếch đại là một trường hợp quen thuộc, nơi mà sự biến động nhiệt hoặc phản ứng dưới giảm xóc mạnh có thể khiến phản ứng của bộ khuếch đại trở nên không ổn định và bão hòa trong tình trạng có phản hồi mạnh. Các mạch không tuyến thời gian bất biến bão hòa cuối cùng sẽ buộc biên độ tăng không ổn định này ổn định ở một mức độ nhất định.

Trong phân tích tín hiệu biến thiên, bạn có thể dễ dàng nhận biết sự không ổn định trong miền thời gian; điều này sẽ xuất hiện trong chế độ dưới giảm xóc như một biên độ tăng theo cấp số nhân trong đầu ra. Trong phân tích cực-không, một cực với phần thực dương cho bạn biết rằng có một phản ứng không ổn định trong mạch. Nếu kết quả từ phân tích cực-không cho bạn biết rằng có một phản ứng không ổn định, bạn có thể sau đó sử dụng mô phỏng miền thời gian để xem xét chính xác phản ứng này biểu hiện như thế nào theo thời gian.

Những ống chân không này thể hiện dao động thư giãn biến thiên.

Khi bạn làm việc với bộ công cụ đầy đủ về độ tin cậy tín hiệu trong Altium Designer^®, bạn có thể dễ dàng thực hiện phân tích tín hiệu biến thiên trong miền thời gian hoặc sử dụng phân tích cực-không. Các công cụ mô phỏng và bố trí tiêu chuẩn ngành là lý tưởng để chạy những mô phỏng này trực tiếp từ sơ đồ hoặc bố trí của bạn. Những công cụ này được tích hợp vào một nền tảng đơn lẻ, 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 thiết kế bố cục, mô phỏng và quản lý dữ liệu tốt nhất trong ngành trong một chương trình duy nhất. Nói chuyện với chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.