PCB部落格 - PCB板設計中的瞬態訊號分析

互連和電力線上的瞬態回應 PCB電路板 是比特錯誤的原因, 定時抖動, 以及其他信號完整性問題. 您可以使用瞬態訊號分析確定設計完美電路時要採取的設計步驟. 簡單電路中的瞬態訊號分析可以手動檢查和計算, 允許隨時間繪製瞬態回應. 更複雜的電路可能難以手動分析. 相反, 您可以在模擬器設計期間使用模擬器進行時域瞬態訊號分析. 如果使用正確的設計軟體，您甚至不需要編碼技能. 正式地, 瞬變可能發生在可以寫成一組耦合的一階線性或非線性微分方程（自治或非自治）的電路中。瞬態回應可通過多種方式確定.

時不變電路中無迴響的瞬態回應可分為以下三種情况之一：

1）過阻尼：響應緩慢衰减，無振盪

2）臨界阻尼：快速衰减響應，無振盪

3）阻尼不足：阻尼振盪響應

對於電路模擬，可以直接從原理圖運行瞬態訊號分析模擬。 這需要考慮電路行為的兩個方面：

1）驅動訊號。 這定義了導致瞬態回應的輸入電壓/電流電平的變化。 這可能涉及兩個信號電平之間的變化（即切換數位信號）、當前輸入信號電平的下降或尖峰，或驅動訊號中的任何其他任意變化。 您可以考慮使用正弦訊號或任意週期波形駕駛。 您還可以考慮訊號在兩個電平之間切換時的有限上升時間。

2）初始條件。 這定義了驅動訊號波動或驅動波形開啟時電路的狀態。假設在時間t=0時，電路最初處於穩態（即，電路中沒有先前的瞬態回應）。 如果未指定初始條件，則假設電壓和電流在t=0時為零。運行類比後，您將獲得一個覆蓋輸入信號和輸出的輸出，使您能够準確地看到信號電平的不同變化如何產生瞬態回應。 切換數位信號的示例如下所示。 在這個電路中，我們假設沒有指定初始條件。 由於阻尼不足，電流的瞬態回應表現出嚴重的過沖和下沖。 這裡的一個解決方案是在源處添加一些串聯電阻以新增阻尼。 更好的解決方案是减少電路中的電感或新增電容，以使響應進入阻尼狀態。

示意圖和佈局後的瞬態訊號分析

輸出類似於反射波形類比中的輸出，其中在佈局後類比中比較入射波和反射波。 在這種情況下，不同之處在於，我們正在設計一個原理圖，該原理圖不考慮PCB板中的寄生效應。 在佈局後類比中，考慮了寄生效應，瞬態訊號分析結果可能會通知您對佈局或堆棧進行一些更改，以减少上述振鈴。 如果在傳輸線的佈局後信號完整性模擬中看到上述結果，則一種解決方案是降低互連中的環路電感並縮小電容。 這將新增電路的阻尼而不改變特性阻抗。 這也將電路中的諧振頻率移動到更高的值，從而降低振鈴振幅。 另一種選擇是在驅動器處串聯終止。

零極點分析

時域類比的另一種方法是使用零極點分析。 該科技將電路帶入拉普拉斯域，並計算電路中的極點和零點。 這允許您立即看到瞬態訊號響應在電路中的行為。 請注意，這種類比仍然可以考慮瞬態訊號分析中的初始條件，囙此結果更一般。 但是，您無法直接看到瞬態訊號的幅度，因為您沒有明確考慮輸入波形的行為。

瞬態訊號分析中的穩定性和不穩定性

這裡需要注意的一點是，包含迴響的電路中可能存在不穩定性. 在典型電路中, 您將檢查PCB原理圖和佈局, 您幾乎總是會遇到穩定的瞬態. 上面的示例顯示了穩定的響應. 儘管存在瞬態振盪, 訊號最終衰减到穩定狀態. 在具有强迴響的電路中, 瞬態振盪會變得不穩定，並隨時間增長. 放大器是一種眾所周知的情况，在存在强迴響的情况下，熱波動或强欠阻尼響應會導致放大器的響應變得不穩定和飽和. 飽和非線性時不變電路最終將迫使該不穩定振幅穩定到恒定水准. 瞬態訊號分析, 你可以很容易地發現時域中的不穩定性； 這將在欠阻尼狀態下隨著輸出的指數新增而出現. 在零極點分析中, 真正的部分是積極的 PCB板.