Leiterplattentechnisch - Transiente Signalanalyse im PCB-Schaltungsdesign

Transiente Reaktionen in Verbindungsleitungen und an Stromleitungen in Leiterplatte sind verantwortlich für Bitfehler, Timing Jitter, und andere Probleme mit der Signalintegrität. Sie können die Entwurfsschritte bestimmen, die Sie beim Entwurf einer perfekten Schaltung mit Hilfe der transienten Signalanalyse unternehmen müssen.

Die Transientenanalyse in einfachen Schaltungen kann manuell überprüft und berechnet werden, so dass die Transientenanwendung über die Zeit dargestellt werden kann. Komplexere Schaltungen können schwierig manuell zu analysieren sein. Stattdessen können Sie den Simulator für die temporale transiente Signalanalyse während des Simulatordesigns verwenden. Mit der richtigen Design-Software brauchen Sie nicht einmal Programmierkenntnisse.

Formal können Transienten in Schaltungen auftreten, die als gekoppelte Menge linearer oder nichtlinearer Differentialgleichungen erster Ordnung geschrieben werden können (autonom oder nicht autonom). Transiente Reaktionen können auf verschiedene Arten bestimmt werden.

Eine transiente Antwort ohne Rückkopplung in einer zeitinvarianten Schaltung ist einer der folgenden drei Fälle:

Überdämpfung: Langsamer Verfall der Reaktion, keine Schwingungen

Kritische Dämpfung: Schnelles Verfallsverhalten, keine Oszillation

Unterdämpfung: gedämpftes Schwingverhalten

Auf der Schaltungssimulationsseite können Sie Simulationen der transienten Signalanalyse direkt aus dem Schaltplan ausführen. Dies erfordert die Berücksichtigung zweier Aspekte des Schaltungsverhaltens:

Fahrsignal. Dies definiert die Änderung des Eingangsspannungs-/Strompegels, die die transiente Antwort verursacht. Dies kann eine Änderung zwischen zwei Signalpegeln (d.h. dem schaltbaren Digitalsignal), ein Abfall oder eine Spitze des aktuellen Eingangssignalpegels oder eine andere willkürliche Änderung des Antriebssignals beinhalten. Sie können ein sinusförmiges Signal oder eine beliebige periodische Wellenform für den Antrieb verwenden. Sie können auch die begrenzte Anstiegszeit berücksichtigen, wenn das Signal zwischen zwei Ebenen wechselt.

Anfangsbedingungen. Dies definiert den Zustand der Schaltung, wenn das Antriebssignal schwankt oder die Antriebswellenform eingeschaltet ist. Nehmen wir an, dass sich die Schaltung zu der Zeit t=0 zunächst in einem stabilen Zustand befindet (d.h. es gibt keine vorherige transiente Antwort in der Schaltung). Wenn die Anfangsbedingungen nicht angegeben sind, werden Spannung und Strom bei t=0 als Null angenommen.

Nach dem Ausführen der Simulation erhalten Sie einen Ausgang, der sowohl das Eingangssignal als auch den Ausgang abdeckt, sodass Sie genau sehen können, wie unterschiedliche Änderungen der Signalpegel transiente Reaktionen erzeugen. Ein Beispiel für das Schalten digitaler Signale wird unten gezeigt. In dieser Schaltung gehen wir davon aus, dass keine Anfangsbedingungen angegeben sind. Das transiente Ansprechverhalten des Stroms weist aufgrund unzureichender Dämpfung einen starken Über- und Abwärtsschuss auf. Eine Lösung besteht darin, einige Reihenwiderstände an der Quelle hinzuzufügen, um die Dämpfung zu erhöhen. Eine bessere Lösung besteht darin, die Induktivität in der Schaltung zu reduzieren oder die Kapazität zu erhöhen, damit die Reaktion in einen gedämpften Zustand übergeht.

Beispiel für Ergebnisse der Analyse transienter Signale

Schematische Darstellung und Layout nach Analyse des transienten Signals

Die Ausgabe in der obigen Abbildung ist ähnlich wie in der Reflexionswellenformsimulation, bei der die einfallenden und reflektierten Wellen in der Nachlayoutsimulation verglichen werden. Der Unterschied in diesem Fall besteht darin, dass wir in einem Schaltplan arbeiten, der parasitäre Effekte in der Leiterplatte nicht berücksichtigt. In der Nachlayoutsimulation wird die Parasitisierung berücksichtigt, und die Ergebnisse Ihrer transienten Signalanalyse können Sie dazu veranlassen, einige Änderungen am Layout oder den Stapeln vorzunehmen, um das oben beschriebene Klingeln zu reduzieren.

Wenn die oben genannten Ergebnisse in der Signalintegritätssimulation nach dem Layout der Übertragungsleitung gesehen werden, besteht eine Lösung darin, die Schleifeninduktivität in der Verbindung zu reduzieren und die Kapazität proportional zu reduzieren. Dadurch wird die Dämpfung der Schaltung erhöht, ohne die charakteristische Impedanz zu ändern. Dadurch wird auch die Resonanzfrequenz in der Schaltung auf einen höheren Wert verschoben und die Klingellamplitude reduziert. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Treiber in Reihe anzuschließen.

Pol-Null-Analyse

Ein alternativer Ansatz zur Zeitbereichssimulation ist die Verwendung von Nullpolanalysen. Die Technik nimmt die Schaltung in die Laplace-Domäne und berechnet die Pole und Nullen in der Schaltung. So können Sie sofort sehen, wie sich die transiente Signalantwort in der Schaltung verhält. Beachten Sie, dass diese Art der Simulation die Anfangsbedingungen in der transienten Signalanalyse noch berücksichtigen kann, so dass die Ergebnisse allgemeiner sind. Allerdings können Sie die Größe des transienten Signals nicht direkt sehen, da Sie das Verhalten der Eingangswellenform nicht explizit berücksichtigen.

Stabilität und Instabilität bei der Analyse transienter Signale

Eine Sache, die hier zu beachten ist, ist das Potenzial für Instabilität in der Schaltung, die das Feedback enthält. In einer typischen Schaltung überprüfen Sie den Schaltplan und das Layout der Leiterplatte und stoßen fast immer auf ein stabiles transientes Signal. Das obige Beispiel zeigt eine stabile Antwort. Trotz transienter Schwingungen zerfällt das Signal schließlich in den stationären Zustand. In Schaltungen mit starkem Feedback werden transiente Schwingungen instabil und wachsen mit der Zeit.

Verstärker sind ein bekannter Zustand, bei dem thermische Schwankungen oder starke unterdämpfte Reaktionen die Reaktion des Verstärkers dazu bringen, instabil und gesättigt in Gegenwart von starkem Feedback zu werden. Eine gesättigte nichtlineare zeitinvariante Schaltung zwingt schließlich diese instabile Amplitude auf ein konstantes Niveau zu stabilisieren.

In der transienten Signalanalyse können Sie leicht Instabilität im Zeitbereich feststellen; Dies geschieht im unterdämpften Zustand mit einem exponentiellen Anstieg der Leistung. In der Nullpolanalyse ist der reale Teil positiv.