PCB Tecnico - Analisi del segnale transitorio nella progettazione di circuiti PCB

Le risposte transitorie nelle interconnessioni e sulle linee elettriche nella scheda PCB sono responsabili di errori di bit, jitter di temporizzazione e altri problemi di integrità del segnale. È possibile determinare i passaggi di progettazione da intraprendere nella progettazione di un circuito perfetto utilizzando l'analisi del segnale transitorio.

L'analisi del segnale transitorio in circuiti semplici può essere controllata e calcolata manualmente, consentendo di tracciare la risposta transitoria nel tempo. Circuiti più complessi possono essere difficili da analizzare manualmente. Invece, è possibile utilizzare il simulatore per l'analisi del segnale transitorio temporale durante la progettazione del simulatore. Con il giusto software di progettazione, non hai nemmeno bisogno di competenze di codifica.

Formalmente, i transienti possono verificarsi in circuiti che possono essere scritti come un insieme accoppiato di equazioni differenziali lineari o non lineari di primo ordine (autonome o non autonome). Le risposte transitorie possono essere determinate in diversi modi.

Una risposta transitoria senza feedback in un circuito invariante temporale è uno dei seguenti tre casi:

Sovrasmorzamento: lento decadimento della risposta, nessuna oscillazione

Ammortizzazione critica: risposta di decadimento veloce, nessuna oscillazione

Sottosmorzamento: attenuata risposta oscillatoria

Sul lato della simulazione del circuito, è possibile eseguire simulazioni di analisi del segnale transitorio direttamente dallo schema. Ciò richiede la considerazione di due aspetti del comportamento del circuito:

Segnale di guida. Questo definisce il cambiamento nel livello di tensione/corrente in ingresso che causa la risposta transitoria. Ciò può comportare un cambiamento tra due livelli di segnale (cioè il segnale digitale di commutazione), una caduta o un picco del livello corrente del segnale di ingresso o qualsiasi altra modifica arbitraria del segnale di guida. È possibile considerare l'utilizzo di un segnale sinusoidale o di una forma d'onda periodica arbitraria per l'unità. Puoi anche considerare il tempo di salita limitato quando il segnale passa da due livelli.

Condizioni iniziali. Questo definisce lo stato del circuito quando il segnale dell'azionamento oscilla o la forma d'onda dell'azionamento è accesa. Supponiamo che al momento t=0, il circuito sia inizialmente in uno stato stabile (cioè, non c'è risposta transitoria precedente nel circuito). Se le condizioni iniziali non sono specificate, si presume che la tensione e la corrente siano pari a zero a t=0.

Dopo aver eseguito la simulazione, viene fornito un'uscita che copre sia il segnale in ingresso che l'uscita, consentendo di vedere esattamente come diversi cambiamenti nei livelli di segnale producono risposte transitorie. Di seguito è mostrato un esempio di commutazione dei segnali digitali. In questo circuito, presumiamo che non siano specificate condizioni iniziali. La risposta transitoria della corrente mostra gravi overshoot e downhoot a causa dell'insufficiente smorzamento. Una soluzione qui è quella di aggiungere alcune resistenze di serie alla fonte per aumentare lo smorzamento. Una soluzione migliore è ridurre l'induttanza nel circuito o aumentare la capacità in modo che la risposta vada in uno stato smorzato.

Esempio di risultati dell'analisi del segnale transitorio

Diagramma schematico e layout dopo l'analisi del segnale transitorio

L'output nella figura sopra è simile a quello visto nella simulazione della forma d'onda di riflessione, dove l'incidente e le onde riflesse sono confrontate nella simulazione post-layout. La differenza in questo caso è che stiamo lavorando in uno schema, che non tiene conto degli effetti parassitari nel PCB. Nella simulazione post-layout, viene considerata la parassitizzazione e i risultati dell'analisi del segnale transitorio potrebbero informarti di apportare alcune modifiche al layout o agli stack per ridurre il suono descritto sopra.

Se i risultati di cui sopra sono visti nella simulazione dell'integrità del segnale dopo il layout della linea di trasmissione, una soluzione è ridurre l'induttanza del loop nell'interconnessione e ridurre proporzionalmente la capacità. Questo aumenterà lo smorzamento del circuito senza modificare l'impedenza caratteristica. Questo sposta anche la frequenza di risonanza nel circuito ad un valore più alto, riducendo l'ampiezza dell'anello. Un'altra opzione è quella di collegare il driver in serie.

Analisi del polo zero

Un approccio alternativo alla simulazione del dominio temporale è quello di utilizzare l'analisi a polo zero. La tecnica porta il circuito nel dominio Laplace e calcola i poli e gli zeri nel circuito. Ciò consente di vedere immediatamente come si comporta la risposta del segnale transitorio nel circuito. Si noti che questo tipo di simulazione può ancora tenere conto delle condizioni iniziali nell'analisi del segnale transitorio, quindi i risultati sono più generali. Tuttavia, non è possibile vedere direttamente la grandezza del segnale transitorio perché non si sta considerando esplicitamente il comportamento della forma d'onda in ingresso.

Stabilità e instabilità nell'analisi dei segnali transitori

Una cosa da notare qui è il potenziale di instabilità nel circuito che contiene il feedback. In un circuito tipico, controllerai lo schema e il layout PCB e incontrerai quasi sempre un segnale transitorio stabile. L'esempio sopra mostra una risposta stabile. Nonostante le oscillazioni transitorie, il segnale alla fine decade allo stato stazionario. Nei circuiti con forte feedback, le oscillazioni transitorie diventano instabili e crescono nel tempo.

Gli amplificatori sono una condizione ben nota in cui fluttuazioni termiche o forti risposte sottosmorzate spingono la risposta dell'amplificatore a diventare instabile e satura in presenza di forti feedback. Un circuito invariante temporale non lineare saturato alla fine costringe questa ampiezza instabile a stabilizzarsi ad un livello costante.

Nell'analisi del segnale transitorio, puoi facilmente trovare instabilità nel dominio temporale; Ciò avverrà nello stato sottosmorzato con un aumento esponenziale della produzione. Nell'analisi a polo zero, la parte reale è positiva.