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    詳解時域瞬態(tài)分析技術(shù)

    發(fā)布時間:2022-01-26 責(zé)任編輯:lina

    【導(dǎo)讀】當(dāng)打開或關(guān)閉 LED 時,隨著光線變亮或變暗有一個緩慢的過渡。這種類型的瞬態(tài)行為非常簡單,但這是一個電子系統(tǒng)改變狀態(tài)時的基本反應(yīng)。使用瞬態(tài)分析可以充分理解時域中的信號轉(zhuǎn)換,以及它們與重要系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。


    本文要點:

    ●所有的物理系統(tǒng)在運(yùn)行動態(tài)中都會表現(xiàn)出一些瞬態(tài)行為,電子產(chǎn)品也是如此

    ●瞬態(tài)分析技術(shù)可以幫助了解不同電氣狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換

    ●當(dāng)檢查測量數(shù)據(jù)或軟件仿真數(shù)據(jù)時,一些基本的瞬態(tài)分析技術(shù)可用于了解電氣狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換


    當(dāng)打開或關(guān)閉 LED 時,隨著光線變亮或變暗有一個緩慢的過渡。這種類型的瞬態(tài)行為非常簡單,但這是一個電子系統(tǒng)改變狀態(tài)時的基本反應(yīng)。使用瞬態(tài)分析可以充分理解時域中的信號轉(zhuǎn)換,以及它們與重要系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。


    初次接觸軟件仿真數(shù)據(jù)的設(shè)計師可能認(rèn)為時域瞬態(tài)分析是一個簡單、只是在圖表上觀察波形的問題。但實際情況是,瞬態(tài)分析中需要用到一系列的數(shù)學(xué)技術(shù)和商業(yè)軟件應(yīng)用。


    通過一些創(chuàng)造性的方法和強(qiáng)大的設(shè)計工具,可以全面了解電子產(chǎn)品的瞬態(tài)行為。這往往不需要手動完成大量計算,直接觀察時域響應(yīng)和一些簡單的數(shù)學(xué)步驟即可獲得重要的見解。


    詳解時域瞬態(tài)分析技術(shù)


    時域瞬態(tài)分析技術(shù)在時域中運(yùn)用,全面展現(xiàn)了不同狀態(tài)之間的信號轉(zhuǎn)換過程。


    如何進(jìn)行時域瞬態(tài)分析


    瞬態(tài)分析涉及一套技術(shù),用于分析時域中的仿真數(shù)據(jù)或?qū)嶒灲Y(jié)果,特別是當(dāng)所研究的系統(tǒng)在兩個狀態(tài)之間過渡時。舉例而言,此時我們有一個已經(jīng)充電到 5V 的 RC 電路:如果源電壓突然變?yōu)?7V,在時域中就會出現(xiàn)這兩種狀態(tài)的過渡。時域瞬態(tài)分析的一些原則方法包括:


    穩(wěn)定性分析:這是對拉普拉斯域分析(Laplace domain analysis)的概括,但它可以應(yīng)用于耦合的非線性系統(tǒng),這些系統(tǒng)可能表現(xiàn)出不穩(wěn)定的瞬態(tài)行為。穩(wěn)定性分析使用一系列的技術(shù)來預(yù)測系統(tǒng)在哪些條件下會有穩(wěn)定的瞬態(tài)響應(yīng)。


    參數(shù)提取:這類回歸技術(shù)被用來確定分析模型中的參數(shù)。這是通過比較模型預(yù)測和測量數(shù)據(jù)來完成的,然后應(yīng)用統(tǒng)計技術(shù)來判斷預(yù)測和實驗數(shù)據(jù)的一致程度。


    建立經(jīng)驗?zāi)P停嚎偨Y(jié)性瞬態(tài)分析的一種方法是根據(jù)實驗或現(xiàn)場求解器數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗?zāi)P汀=?jīng)驗?zāi)P头浅_m合快速預(yù)測系統(tǒng)的行為或?qū)ふ也煌瑥?fù)雜度的模型之間的一般關(guān)系。這些模型甚至已經(jīng)被納入 IPC 標(biāo)準(zhǔn)。


    下圖顯示了當(dāng)負(fù)載吸取一個電流脈沖(例如一個開關(guān)數(shù)字電路)時,一些典型的LDO 穩(wěn)壓器輸出電壓的實驗數(shù)據(jù)。可以通過瞬態(tài)分析來研究輸出電壓的下降,從而修改電路以提供更穩(wěn)定的輸出電壓。


    詳解時域瞬態(tài)分析技術(shù)


    LDO 穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)示例,顯示了電壓下降和恢復(fù)情況


    瞬態(tài)分析中一些可能的檢查點包括建立穩(wěn)定時間(或恢復(fù)時間),以及這與穩(wěn)壓器中的各種參數(shù)的關(guān)系。在許多系統(tǒng)中,少數(shù)特定參數(shù)將負(fù)責(zé)確定系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng),但可能缺少分析模型來描述這種關(guān)系。


    參數(shù)提取


    很多時候,我們有一個理論的系統(tǒng)模型,需要從測量數(shù)據(jù)中提取模型的參數(shù)。有許多方法可以做到這一點,取決于模型的形式以及是否有一個分析解決方案。這些方法一般分為兩個方面:


    回歸:如果描述系統(tǒng)的分析模型是已知的,那么它可以用于回歸分析,以確定任何未知的模型參數(shù)。


    統(tǒng)計比較:有時,系統(tǒng)的分析模型并不為人所知,但可能有一個數(shù)字模型,例如來自場求解器的模型。在這種情況下,場求解器的結(jié)果可以針對各種系統(tǒng)參數(shù)值產(chǎn)生,兩個數(shù)據(jù)集可以進(jìn)行統(tǒng)計比較,以確定最可能的系統(tǒng)參數(shù)值。


    穩(wěn)定性分析


    拉普拉斯變換和拉普拉斯域中的函數(shù)經(jīng)常用來描述物理系統(tǒng)的瞬態(tài)行為。穩(wěn)定性分析涉及建立在拉普拉斯域上的一套更完整的技術(shù)。在線性時變 (linear time-invariant ,即LTI) 系統(tǒng)中,包括在耦合系統(tǒng)中,穩(wěn)定性分析方法產(chǎn)生的結(jié)果與拉普拉斯變換求解技術(shù)相同。


    在線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析中,目標(biāo)是解出以下特征值方程:


    詳解時域瞬態(tài)分析技術(shù)


    用于穩(wěn)定性分析和瞬態(tài)分析的主特征方程


    特征值 (λ) 的實部和虛部以復(fù)數(shù)共軛對的形式出現(xiàn),用于表明系統(tǒng)的極點和零點。借此,我們可以立即知道系統(tǒng)是否有穩(wěn)定的響應(yīng)、在接近穩(wěn)定狀態(tài)時是否會有瞬態(tài)振蕩(極限周期),以及系統(tǒng)接近穩(wěn)定狀態(tài)的速度。下表總結(jié)了線性系統(tǒng)中各種 λ 值的預(yù)期瞬態(tài)行為。


    詳解時域瞬態(tài)分析技術(shù)


    對于非線性系統(tǒng)來說,確定穩(wěn)定性的方法并不單一,一系列可能的方法都可以應(yīng)用于不同的系統(tǒng)。暴力的時域仿真可以給出一些有用的結(jié)果,這也是 SPICE 求解器中用于非線性電路的主要方法。這仍然是一個活躍的研究領(lǐng)域,穩(wěn)定性方法往往需要針對特定的非線性系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,以獲得實用的見解。


    建立經(jīng)驗?zāi)P?/p>


    這是最普遍的瞬態(tài)分析形式,因為它只是使用線性或非線性回歸將建議的模型方程與實驗數(shù)據(jù)相匹配。


    如果有 MS Excel 或其他電子表格程序,就可以為系統(tǒng)創(chuàng)建一個經(jīng)驗?zāi)P停⒃谌魏纹渌治鲋屑右允褂谩R涣麟娮与娐贩抡嫫骺梢灾苯訌臄?shù)據(jù)中建立一個模型,并從結(jié)果中創(chuàng)建一個 SPICE 子電路,然后可以將其納入更大的電路中。電子學(xué)的經(jīng)驗建模需要使用正確的設(shè)計和仿真應(yīng)用,來幫助實現(xiàn)瞬態(tài)分析的自動化。

    (來源:Cadence楷登PCB及封裝資源中心)

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