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电路仿真如何工作?

  • 发表时间:2021-05-27 15:07:50
  • 来源:本站
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电路仿真如何工作?

PCB设计人员必须考虑各种设计参数才能设计出成功的电路板。为了确保其设计准确,设计人员可以使用电路仿真来了解其电路的动态行为,从而实现高效的电路板设计

什么是电路仿真?

电路仿真是用于在制造和产品部署之前检查和验证电气/电子电路功能的过程。它用于从微电子学和集成电路到电力电子学和配电网络的广泛应用。可以根据需要在线性和非线性电路上进行电路仿真。

电路仿真包括:

1.电路元件或设备的数学建模。 

2.电路/网络方程的公式化。

3.这些方程式的求解技术。 

线性和非线性电路

线性电路是流经电路的电流与电路电压成正比的地方。线性电路中电流和电压之间的关系如下图所示:

电路仿真如何工作?

线性电路的电流与电压关系图

非线性电路是指流经电路的电流与电路中的电压不成正比的情况,从而导致电压与电流的关系曲线看起来像曲线。

电路仿真如何工作?

非线性电路的电压与电流关系图

电路仿真如何工作?

电路仿真通过使用原理图编辑器设计电路并使电路表示经受恒定或变化的输入来进行。记录并分析得到的信号输出。

电路仿真器旨在模拟电路组件的行为,以实现与实际运行的电路相同的信号输出。

设备型号

设备模型是使用理论和实验研究生成的分析表达式。构成此分析表达式的变量和常量称为模型参数。此外,设备参数是用于在模拟器上复制实际组件特征的那些参数。

IBIS模型

IBIS(输入/输出缓冲区信息规范)是一个行为模型,详细描述了设备数字输入和输出的电气特性。这是通过使用V / I(电压与电流)和V / T(电压与时间)数据完成的,而不会泄露任何专有信息。IBIS模型旨在用于系统板上的信号完整性分析

有哪些不同类型的模拟?

在本文中,我们专注于模拟电路仿真。以下是电路仿真的类型:

模拟模拟

模拟电路仿真过程包括使用电子电路的精确表示来获得与输入相对应的精确信号输出。如前所述,用于电路仿真的模型可以是线性的也可以是非线性的。模拟电路仿真可以在多种模式下执行,例如:

  • AC(频域)

  • DC(非线性静态)

  • 瞬态(时域)

模拟仿真器使用算法来分析不同模式下的电路行为。这种算法采用求解矩阵的过程来预测电路性能。在模拟仿真中,信号以连续变化的值传播。

数字仿真

数字电路仿真包括使用通过硬件描述语言(HDL)生成的电路行为模型。在这种方法中,与模拟仿真不同,离散电压值(主要是逻辑0和逻辑1)会传播。对于电路中逻辑电平的传播延迟的不同值,用于这种信号传播的技术具有变化的精度。与模拟仿真相比,该技术允许在更短的时间内对更大的电路进行仿真,并使用更少的计算资源。

混合信号仿真

混合信号仿真方法集成了模拟和数字仿真技术。在这种情况下,电路分为两个不同的系统(模拟和数字),以在每个电路段中进行适当的分析。数字仿真保持事件驱动,而模拟信号保持原样。

电路分析类型

电路模拟器运行各种类型的分析,从而提供有关电路的不同信息。以下是几种电路分析类型:

瞬态分析

瞬态分析是指从一种稳态条件变为另一种稳态条件期间的电路分析。当开关断开或闭合时,或当电源突然发生变化时,电路会发生快速变化。当这种变化发生时,处于明显稳态状态的电路将移至另一个稳态。状况。两个稳态条件之间的这段时间称为过渡期。瞬态分析用于了解瞬态期间电流和电压等参数将如何变化。

传递函数分析

电子电路的传递函数是一种数学函数,用于对每个可能的输入进行理论上的设备输出建模。传递函数可以通过绘制输入与输出的关系图来表示,以得到所谓的传递曲线。这称为传递函数分析。

噪音分析

信号噪声是指电流或电压的不希望有的变化,通常是随机的且幅度很小。每个电子组件都会产生信号噪声,并且这种噪声可能来自内部或外部源。可以使用称为信噪比(SNR)的参数来测量电路中的噪声。信噪比可以定义为所需信号与不希望的信号或噪声之比。SNR以分贝(db)为单位。

工作点分析

操作点是电子组件的操作特性内的特定点。对于电压和电流恒定的具有恒定源的电路,使用工作点进行分析。可以使用数字万用表对工作点进行物理测量,或者在仿真中,可以通过在软件中选择感兴趣的组件进行测量。

电路仿真使用哪个软件?

SPICE(具有集成电路重点的仿真程序)是一种流行的开源电路仿真引擎。它接受一个描述电路以执行各种仿真的网表。网表是描述电路中使用的每个组件及其连接位置的文本。LT spice是另一种类似于SPICE的开源电路仿真软件。

使用Analog Devices Inc.LTspice®进行电路仿真

以下是一些基本电路及其分析:

直流分析

首先,我们将看一个简单的分压器电路。它在10k和5k欧姆电阻上具有10V DC输入。输出端还有一个电容器。

电路仿真如何工作?

直流输入的分压器电路

如果我们看输入和输出直流电平,我们将得到如下图

电路仿真如何工作?

使用直流电压源的电路瞬态分析

在此,输出电压V(输出)为3.333V。

现在,让我们将输入从DC更改为振幅为1V,频率为1kHz的正弦波,并分析电容器两端的电压和电流。

电路仿真如何工作?

带正弦波输入的分压器电路

 

电路仿真如何工作?

使用正弦波源进行瞬态分析

这些是输入和输出电压。我们还可以绘制通过任何组件汲取的电流和功率。

电路仿真如何工作?

电容器C1在图中显示为滞后

通过电容器C1的电流滞后于电压。

现在,让我们给出一个脉冲输入。我们将选择一个时间周期为1ms的脉冲,其上升时间和下降时间为10ns,幅度为5V,导通时间为0.2ms。

电路仿真如何工作?

带脉冲输入的分压器电路

在输出中,我们可以观察到当输入导通且电流为正且脉冲为零时,电容器两端的电压上升,电容器放电而电流为负。 

电路仿真如何工作?

脉冲输入瞬态分析

AC分析

现在让我们进行AC分析

电路仿真如何工作?

交流输入的分压器电路

在这里,我们需要指定扫描类型,读数数量,开始和结束频率,以对电路进行交流分析。

电路仿真如何工作?

AC分析图

让我们看一下一个电路,它有点像中心频率为50MHz的LC带通滤波器。 

电路仿真如何工作?

LC带通滤波器电路

现在,我们将设置交流扫描。绘制输出后,我们可以看到在不同频率下的衰减以及在50MHz左右的中心频率。

电路仿真如何工作?

交流扫描分析

电路仿真是PCB设计人员在电路板制造之前了解电路行为的宝贵工具。电路仿真的使用可以帮助防止昂贵的PCB返工和设计效率低下。