使用SPICE來進(jìn)行簡單RLC電路的時(shí)域分析的教程

如果您不是那種喜歡解微分方程的人，或者您只是喜歡寫代碼，那么，當(dāng)您使用 SPICE 模擬器時(shí)，便會對時(shí)域中 RLC 網(wǎng)絡(luò)的行為有所了解。您也可以通過多頻率迭代，或者直接在頻域中分析這種行為。我們先了解下基本的 RLC 網(wǎng)絡(luò)，以及如何在 SPICE 軟件包軟件包中重現(xiàn)這些電路的行為。

簡單 RLC 電路的時(shí)域分析

RLC 電路是一種電阻、電容和電感組成的電路結(jié)構(gòu)，通常稱為 RLC 電路。由于電容和電阻具有一些頻率相關(guān)的電抗，當(dāng)用交流信號驅(qū)動時(shí)，該系統(tǒng)的行為將產(chǎn)生一些有趣的效果。當(dāng)涉及諧波信號、脈沖或啁啾信號時(shí)，電壓源對于電壓調(diào)節(jié)至關(guān)重要。在頻域中，我們可以清楚地了解到電壓 / 電流源頻率對 RLC 電路輸出和 RLC 網(wǎng)絡(luò)中不同部分電流的影響。

頻域的結(jié)果可以通過傅里葉逆變換轉(zhuǎn)換回時(shí)域（反之亦然）。然而，瞬態(tài)響應(yīng)等一些效應(yīng)在時(shí)域中更容易計(jì)算。由于矩陣表述相對簡單，SPICE 仿真自然有助于時(shí)域分析。

RL 電路和 RC 電路也與 RLC 電路有關(guān)，而且也很有趣。如果我們使用的 RLC 網(wǎng)絡(luò)不僅僅是簡單的串聯(lián) RLC 電路，了解這些電路的行為有助于解釋時(shí)域仿真結(jié)果。當(dāng)使用 RLC 電路的解析解時(shí)，通過在相關(guān) RLC 電路的解中分別取 L=0 或 C=0，可以了解 RC 電路或 RL 電路的行為。

請注意，當(dāng)與 DC 電源一起使用時(shí)，電阻電感并聯(lián)（RL 電路）必定形成短路。因?yàn)殡姼械淖杩故穷l率的線性函數(shù)，所以采用 DC 電源時(shí)，電感阻抗為零。這類電路對于 DC 電路意義不大，但可以用來隔離放大器，避免高頻容性負(fù)載效應(yīng)。

RC 電路中，當(dāng)電容和電阻串聯(lián)時(shí)，我們可以采用時(shí)域仿真來分析 AC 電壓如何耦合到電路中?；蛘?，當(dāng)電阻和電容并聯(lián)時(shí)，可以分析 AC 信號如何繞過電阻。這對于電源完整性分析尤為重要，因?yàn)槲覀兛赡苄枰獧z查是否有任何 AC 噪聲成分從 DC 電源中過濾出來。這兩種分析都應(yīng)作為頻率的函數(shù)進(jìn)行，以便了解 RC 電路如何充當(dāng)濾波器。

RLC 網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)分析

RLC 網(wǎng)絡(luò)以及更大的 RLC 網(wǎng)絡(luò)中的 RC 或 RL 網(wǎng)絡(luò)，將會有特定的時(shí)間響應(yīng)，這取決于驅(qū)動電路的是諧波源、任意波形、DC 電源，還是可以輕松界定為時(shí)間函數(shù)的其他任何電源。這便是時(shí)域仿真在 RLC 網(wǎng)絡(luò)中如此有效的原因，使我們能夠分析電路對脈沖或啁啾（或兩者兼有）電壓源的響應(yīng)。

啁啾脈沖在雷達(dá)和光學(xué)應(yīng)用中十分重要

當(dāng)使用 AC 電源時(shí)，大多數(shù) SPICE 軟件包都具備圖形用戶界面且能夠掃描 AC 頻率范圍并分析系統(tǒng)行為。但是，我們也可以進(jìn)行瞬態(tài)分析，并分析電路如何及時(shí)響應(yīng)不同頻率的 AC 電源。我們可以在時(shí)域中分析不同頻率下的電路輸出，并比較信號的不同質(zhì)量。

瞬態(tài)分析對于觀察網(wǎng)絡(luò)的 DC 輸入或脈沖如何響應(yīng)也十分有效。采用 DC 輸入時(shí)，我們可以觀察由于 DC 電壓源輸出的變化，電路不同部分上電至不同電壓和電流的速率。這些曲線為指數(shù)形式，稱為瞬態(tài)曲線。它們對 PCB 有重要影響，因其決定了電源分配網(wǎng)絡(luò)中噪聲或數(shù)字切換信號等引起驅(qū)動電壓發(fā)生明顯變化時(shí)，電路的響應(yīng)速度。

RLC 電路的拓展知識

借助基于 SPICE 的模擬器，我們還可以分析 RLC 網(wǎng)絡(luò)的其他很多方面，在此僅介紹非常有用的兩點(diǎn)。首先，通過以菊花鏈形式連接多個(gè) RLC 網(wǎng)絡(luò)，我們可以輕松構(gòu)建高階濾波器。然后，我們可以模擬這些高階濾波器的瞬態(tài)響應(yīng)和電壓輸出。如果在電路分析中我們還使用了頻率掃描，則可以確定網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。

PCB 上的光敏傳感器

性能卓越的 SPICE 軟件工具能夠分析工作溫度變化如何影響 RLC 網(wǎng)絡(luò)的輸出。這對于 PCB 尤其重要，因?yàn)槌俏覀冊O(shè)計(jì)的電路板具有精密的熱管理能力，否則 PCB 運(yùn)行溫度可能超過室溫。

Cadence 的 PCB 設(shè)計(jì)工具可簡化對簡單 RLC 電路和更復(fù)雜電路的時(shí)域分析，我們可以通過構(gòu)建模型，模擬和分析原理圖和 / 或 PCB 中電路的行為。

審核編輯黃昊宇