Technologie PCB - Analyse de signaux transitoires dans la conception de circuits PCB

Les interconnexions dans les cartes PCB et les réponses transitoires sur les lignes d'alimentation sont responsables d'erreurs de bits, de gigue temporelle et d'autres problèmes d'intégrité du signal. Vous pouvez utiliser l'analyse du signal transitoire pour déterminer les étapes de conception à suivre lors de la conception du circuit parfait.

L'analyse des signaux transitoires dans un circuit simple peut être vérifiée et calculée manuellement, ce qui permet de cartographier les réponses transitoires au fil du temps. Des circuits plus complexes peuvent être difficiles à analyser manuellement. Au lieu de cela, vous pouvez utiliser un simulateur pour l'analyse des signaux transitoires pendant la conception du simulateur. Avec le bon logiciel de conception, vous n'avez même pas besoin de compétences en codage.

Formellement, les transitoires peuvent se produire dans des circuits qui peuvent être écrits comme des ensembles couplés d'équations différentielles linéaires ou non linéaires du premier ordre (autonomes ou non autonomes). La réponse transitoire peut être déterminée de plusieurs façons.

Une réponse transitoire sans rétroaction dans un circuit invariant instantané est l'un des trois cas suivants:

Amortissement excessif: atténuation lente de la réponse, aucune oscillation

Amortissement critique: réponse d'atténuation rapide, aucune oscillation

Sous - amortissement: réponse oscillatoire atténuée

En ce qui concerne la simulation de circuit, il est possible de réaliser une simulation d'analyse de signal transitoire directement à partir du schéma. Cela nécessite de prendre en compte deux aspects du comportement du circuit:

Signal de conduite. Ceci définit la variation du niveau de tension / courant d'entrée qui provoque une réponse transitoire. Il peut s'agir d'une variation entre deux niveaux de signal, c'est - à - dire un signal numérique commuté, d'une chute ou d'un pic du niveau actuel du signal d'entrée, ou de toute autre variation arbitraire du signal de pilotage. Vous pouvez envisager d'utiliser un signal sinusoïdal ou une forme d'onde de période arbitraire comme pilote. Vous pouvez également envisager un temps de montée limité lorsque le signal bascule entre deux niveaux.

Conditions initiales. Ceci définit l'état du circuit lorsque le signal d'entraînement fluctue ou que la forme d'onde d'entraînement est allumée. On suppose qu'au temps t = 0, le circuit est initialement dans un état stable (c'est - à - dire qu'il n'y a pas de réponse transitoire précédente dans le circuit). Si aucune condition initiale n'est spécifiée, on suppose que la tension et le courant sont nuls à t = 0.

Après avoir exécuté la simulation, une sortie couvrant à la fois le signal d'entrée et la sortie vous sera fournie, vous permettant de voir exactement comment les différentes variations du niveau du signal produisent une réponse transitoire. Un example de commutation d'un signal numérique est illustré ci - dessous. Dans ce circuit, nous supposons qu'aucune condition initiale n'est spécifiée. En raison d'un amortissement insuffisant, la réponse transitoire du courant présente un dépassement et un recul importants. Une solution ici est d'ajouter quelques résistances en série à l'alimentation pour augmenter l'amortissement. Une meilleure solution serait de réduire l'inductance dans le circuit ou d'augmenter la capacité pour amener la réponse dans un état amorti.

Exemples de résultats d'analyse de signaux transitoires

Schéma et disposition après analyse du signal transitoire

La sortie de la figure ci - dessus est similaire à celle de la simulation de forme d'onde réfléchie, où les ondes incidentes et réfléchies sont comparées dans la simulation post - disposition. La différence dans ce cas est que nous travaillons dans le schéma, qui ne prend pas en compte les effets parasites dans le PCB. Dans la simulation post - mise en page, les effets parasites sont pris en compte et les résultats de l'analyse du signal transitoire peuvent vous informer d'apporter des modifications à la mise en page ou à la pile pour réduire la sonnerie ci - dessus.

Si l'on voit les résultats ci - dessus dans la simulation d'intégrité du signal après l'agencement de la ligne de transmission, une solution consiste à réduire l'inductance de boucle dans l'interconnexion et à réduire proportionnellement la capacité. Cela augmentera l'amortissement du circuit sans modifier l'impédance caractéristique. Cela déplace également la fréquence de résonance dans le circuit à une valeur plus élevée, ce qui réduit l'amplitude de la sonnerie. Une autre option consiste à connecter les pilotes en série.

Analyse du pôle zéro

Une autre méthode de simulation dans le domaine temporel consiste à utiliser l'analyse du pôle zéro. Cette technique amène le circuit dans le domaine de Laplace et calcule les pôles et les zéros du circuit. Cela vous permet de voir immédiatement comment la réponse du signal transitoire se comporte dans le circuit. On notera que ce type de simulation permet encore de prendre en compte les conditions initiales dans l'analyse du signal transitoire et que les résultats sont donc plus généraux. Cependant, vous ne pouvez pas voir directement l'amplitude du signal transitoire, car vous ne pensez pas explicitement au comportement de la forme d'onde d'entrée.

Stabilité et instabilité dans l'analyse des signaux transitoires

Une chose à noter ici est qu'il peut y avoir une instabilité dans le circuit qui contient la rétroaction. Dans un circuit typique, vous vérifierez le schéma et la disposition du PCB et rencontrerez presque toujours un signal transitoire stable. L'exemple ci - dessus montre une réponse stable. Malgré les oscillations transitoires, le signal finit par s'atténuer jusqu'à un état stable. Dans les circuits à forte rétroaction, les oscillations transitoires deviennent instables et augmentent avec le temps.

L'amplificateur est une situation bien connue dans laquelle les fluctuations thermiques ou une réponse fortement sous - amortie entraînent une réponse de l'amplificateur qui devient instable et saturée en présence d'une forte rétroaction. Le circuit invariant à saturation non linéaire oblige finalement cette amplitude instable à se stabiliser à un niveau constant.

Dans l'analyse des signaux transitoires, vous pouvez facilement trouver des instabilités dans le domaine temporel; Cela se produira dans un état de sous - amortissement où la sortie augmente exponentiellement. Dans l'analyse du pôle zéro, la partie réelle est positive.