如何通過SPICE仿真來更好地理解RLC電路

RLC電路不僅是電子學類別的基本電路，它們還提供了一種語言來解釋具有電抗性的任何線性電氣系統(tǒng)的行為。所有RLC電路都可以由電阻器，電容器和電感器組成，這些模型可以用于對線性時不變（LTI）系統(tǒng)中的電性能進行建模。您可能要建模的系統(tǒng)中可能沒有任何實際的電容器或電感器，但是無論如何它可能都表現(xiàn)出電容性或電感性阻抗。

當您需要分析真實的RLC電路，或者需要分析更復雜的電氣系統(tǒng)（例如，一組傳輸線）的模型時，只要可以為系統(tǒng)構(gòu)建RLC模型，就可以使用同一組分析工具。您使用的RLC模型為您提供了一種簡單的方法來檢查電路模型中的脈沖響應(yīng)，級聯(lián)和傳遞函數(shù)。這是創(chuàng)建RLC模型的方法，以及可以使用正確的分析工具在電路模型中檢查的內(nèi)容。

從PCB布局到RLC電路模型

為復雜的電氣系統(tǒng)建立電路模型需要一定的經(jīng)驗和遠見，將真實的電路元件和寄生電路結(jié)合起來以形成等效的RLC網(wǎng)絡(luò)。真實的LTI系統(tǒng)可以建模為RLC網(wǎng)絡(luò)，因為電阻器，電容器和電感器是描述電路中的電壓和電荷如何與電場和磁場相互作用的基本電路元件。

一個系統(tǒng)的RLC模型只有在包含實際電路元素和寄生電容的情況下才能完成。在一起使用時，寄生效應(yīng)會與您設(shè)計的RLC網(wǎng)絡(luò)中的理想電氣行為產(chǎn)生一些偏差。RLC電路分析的一部分是檢查這兩個點的作用，以便更好地了解實際PCB布局的電氣性能。

PCB布局中的寄生蟲

盡管我們希望原理圖能夠完美地表示PCB布局中的真實電路，但事實并非如此。預期的電路元件之間的R，L和C元件無意間產(chǎn)生了寄生效應(yīng)。這些元件有時以復雜的方式組合并增加電路的總阻抗。您可以在以下區(qū)域的PCB布局中發(fā)現(xiàn)不同的寄生元件：

平行導體：兩根導體平行放置時，它們會有一定的寄生電容。當導體之間存在一些非零電位時，位移電流將在它們之間流動，從而增加電路中的總電流。

電流環(huán)路：導體的任何環(huán)路（包括平面和具有一定阻抗的導體橋）都會具有一些寄生電感。然后，任何交變磁場都可以在導體回路中感應(yīng)出電流。這可以說是低EMI抗擾性的最常見原因之一。

直流電阻：任何傳導電流的導體也將具有一定的直流電阻，這會增加系統(tǒng)的總阻抗。

顯然，PCB布局中的環(huán)境會在原理圖中的實際電路中添加一些R，L和C元素，并且由此產(chǎn)生的電路行為可能會非常復雜。從物理上講，這些寄生因素會影響諸如傳輸線阻抗，焊盤電容，過孔電感以及實際PCB布局中的其他眾所周知的影響。確定了PCB布局中的哪些位置以及RLC電路模型中的位置之后，您就可以從原理圖中進行仿真來檢查電氣性能。

RLC電路分析中要模擬的內(nèi)容

SPICE仿真構(gòu)成了RLC電路分析的基礎(chǔ)，既用于提取寄生元件的值，又用于檢查電性能。作為RLC電路分析的一部分，應(yīng)執(zhí)行一些基本仿真：

瞬態(tài)分析：PCB中的實際系統(tǒng)由一系列輸入驅(qū)動；這些不僅僅是直流或諧波交流電源。在時域中仿真電路響應(yīng)是RLC電路分析的核心部分。此處的目標是從視覺上確定系統(tǒng)的相位延遲，增益/損耗以及由于系統(tǒng)的電抗性阻抗引起的整體信號失真。

傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)顯示RLC電路模型中的交流頻率響應(yīng)，可用于確定特定頻率下電路的輸出。一個相關(guān)的仿真是零極點分析，它可以在單個仿真中返回諧振頻率和阻尼常數(shù)。

參數(shù)掃描：此仿真全部與提取寄生物和優(yōu)化設(shè)計有關(guān)。通過遍歷一系列值，您可以看到寄生或電路元件的值對信號指標（例如，電壓或電流，信號失真，相位延遲等）的影響如何。

無論您是在布局前分析電路，還是確定布局后的寄生效應(yīng)，都可以使用這些核心仿真來更好地理解RLC電路。

下圖顯示了在具有多個RLC網(wǎng)絡(luò)的電路中典型的頻率掃描仿真的結(jié)果。對于單個RLC網(wǎng)絡(luò)，您可能能夠輕松計算出電路的諧振頻率，但是在可能存在寄生的真實RLC網(wǎng)絡(luò)中，這并不容易。在這里，我們可以輕松地看到網(wǎng)絡(luò)中的預期諧振頻率（?505 MHz），以及網(wǎng)絡(luò)中額外的意外的高Q諧振，以及低頻處的一些復雜的帶通行為。

RLC電路分析頻率掃描結(jié)果可用于進一步的電路優(yōu)化。

如果您的電路是高速或高頻電氣系統(tǒng)的一部分，則通常需要提取RLC網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。一旦有了S參數(shù)，就可以將它們轉(zhuǎn)換為ABCD參數(shù)，這使您很容易看到電路模型如何適合級聯(lián)電路網(wǎng)絡(luò)。到目前為止，使用ABCD參數(shù)是檢查高速和高頻電路中脈沖響應(yīng)和高頻響應(yīng)的最簡單方法。
編輯：hfy