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2019年09月20日 | 技术文章—通过SPICE仿真进行简单RLC电路的时域分析
2019-09-20 来源：Cadence楷登PCB及封装资源中心
如果您不是那种喜欢解微分方程的人，或者您只是喜欢写代码，那么，当您使用SPICE模拟器时，便会对时域中RLC网络的行为有所了解。您也可以通过多频率迭代，或者直接在频域中分析这种行为。我们先了解下基本的RLC网络，以及如何在SPICE软件包软件包中重现这些电路的行为。
简单RLC电路的时域分析 RLC电路是一种电阻、电容和电感组成的电路结构，通常称为RLC电路。由于电容和电阻具有一些频率相关的电抗，当用交流信号驱动时，该系统的行为将产生一些有趣的效果。当涉及谐波信号、脉冲或啁啾信号时，电压源对于电压调节至关重要。在频域中，我们可以清楚地了解到电压/电流源频率对RLC电路输出和RLC网络中不同部分电流的影响。 频域的结果可以通过傅里叶逆变换转换回时域（反之亦然）。然而，瞬态响应等一些效应在时域中更容易计算。由于矩阵表述相对简单，SPICE仿真自然有助于时域分析。 RL电路和RC电路也与RLC电路有关，而且也很有趣。如果我们使用的RLC网络不仅仅是简单的串联RLC电路，了解这些电路的行为有助于解释时域仿真结果。当使用RLC电路的解析解时，通过在相关RLC电路的解中分别取L=0或C=0，可以了解RC电路或RL电路的行为。 请注意，当与DC电源一起使用时，电阻电感并联（RL电路）必定形成短路。因为电感的阻抗是频率的线性函数，所以采用DC电源时，电感阻抗为零。这类电路对于DC电路意义不大，但可以用来隔离放大器，避免高频容性负载效应。 RC电路中，当电容和电阻串联时，我们可以采用时域仿真来分析AC电压如何耦合到电路中。或者，当电阻和电容并联时，可以分析AC信号如何绕过电阻。这对于电源完整性分析尤为重要，因为我们可能需要检查是否有任何AC噪声成分从DC电源中过滤出来。这两种分析都应作为频率的函数进行，以便了解RC电路如何充当滤波器。 RLC网络瞬态分析 RLC网络以及更大的RLC网络中的RC或RL网络，将会有特定的时间响应，这取决于驱动电路的是谐波源、任意波形、DC电源，还是可以轻松界定为时间函数的其他任何电源。这便是时域仿真在RLC网络中如此有效的原因，使我们能够分析电路对脉冲或啁啾（或两者兼有）电压源的响应。 啁啾脉冲在雷达和光学应用中十分重要 当使用AC电源时，大多数SPICE软件包都具备图形用户界面且能够扫描AC频率范围并分析系统行为。但是，我们也可以进行瞬态分析，并分析电路如何及时响应不同频率的AC电源。我们可以在时域中分析不同频率下的电路输出，并比较信号的不同质量。 瞬态分析对于观察网络的DC输入或脉冲如何响应也十分有效。采用DC输入时，我们可以观察由于DC电压源输出的变化，电路不同部分上电至不同电压和电流的速率。这些曲线为指数形式，称为瞬态曲线。它们对PCB有重要影响，因其决定了电源分配网络中噪声或数字切换信号等引起驱动电压发生明显变化时，电路的响应速度。 RLC电路的拓展知识 借助基于SPICE的模拟器，我们还可以分析RLC网络的其他很多方面，在此仅介绍非常有用的两点。首先，通过以菊花链形式连接多个RLC网络，我们可以轻松构建高阶滤波器。然后，我们可以模拟这些高阶滤波器的瞬态响应和电压输出。如果在电路分析中我们还使用了频率扫描，则可以确定网络的传递函数。 PCB上的光敏传感器 性能卓越的SPICE软件工具能够分析工作温度变化如何影响RLC网络的输出。这对于PCB尤其重要，因为除非我们设计的电路板具有精密的热管理能力，否则PCB运行温度可能超过室温。 Cadence 的PCB设计工具可简化对简单RLC电路和更复杂电路的时域分析，我们可以通过构建模型，模拟和分析原理图和/或PCB中电路的行为。
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