PCB設(shè)計(jì)人員必須考慮各種設(shè)計(jì)參數(shù)才能設(shè)計(jì)出成功的電路板。為了確保其設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)人員可以使用電路仿真來(lái)了解其電路的動(dòng)態(tài)行為，從而實(shí)現(xiàn)高效的電路板設(shè)計(jì)。

什么是電路仿真？

電路仿真是用于在制造和產(chǎn)品部署之前檢查和驗(yàn)證電氣/電子電路功能的過(guò)程。它用于從微電子學(xué)和集成電路到電力電子學(xué)和配電網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用。可以根據(jù)需要在線性和非線性電路上進(jìn)行電路仿真。

電路仿真包括：

1.電路元件或設(shè)備的數(shù)學(xué)建模。 

2.電路/網(wǎng)絡(luò)方程的公式化。

3.這些方程式的求解技術(shù)。 

線性和非線性電路

線性電路是流經(jīng)電路的電流與電路電壓成正比的地方。線性電路中電流和電壓之間的關(guān)系如下圖所示：

線性電路的電流與電壓關(guān)系圖

非線性電路是指流經(jīng)電路的電流與電路中的電壓不成正比的情況，從而導(dǎo)致電壓與電流的關(guān)系曲線看起來(lái)像曲線。

非線性電路的電壓與電流關(guān)系圖

電路仿真如何工作？

電路仿真通過(guò)使用原理圖編輯器設(shè)計(jì)電路并使電路表示經(jīng)受恒定或變化的輸入來(lái)進(jìn)行。記錄并分析得到的信號(hào)輸出。

電路仿真器旨在模擬電路組件的行為，以實(shí)現(xiàn)與實(shí)際運(yùn)行的電路相同的信號(hào)輸出。

設(shè)備型號(hào)

設(shè)備模型是使用理論和實(shí)驗(yàn)研究生成的分析表達(dá)式。構(gòu)成此分析表達(dá)式的變量和常量稱(chēng)為模型參數(shù)。此外，設(shè)備參數(shù)是用于在模擬器上復(fù)制實(shí)際組件特征的那些參數(shù)。

IBIS模型

IBIS（輸入/輸出緩沖區(qū)信息規(guī)范）是一個(gè)行為模型，詳細(xì)描述了設(shè)備數(shù)字輸入和輸出的電氣特性。這是通過(guò)使用V / I（電壓與電流）和V / T（電壓與時(shí)間）數(shù)據(jù)完成的，而不會(huì)泄露任何專(zhuān)有信息。IBIS模型旨在用于系統(tǒng)板上的信號(hào)完整性分析。

有哪些不同類(lèi)型的模擬？

在本文中，我們專(zhuān)注于模擬電路仿真。以下是電路仿真的類(lèi)型：

模擬模擬

模擬電路仿真過(guò)程包括使用電子電路的精確表示來(lái)獲得與輸入相對(duì)應(yīng)的精確信號(hào)輸出。如前所述，用于電路仿真的模型可以是線性的也可以是非線性的。模擬電路仿真可以在多種模式下執(zhí)行，例如：

• AC（頻域）

• DC（非線性靜態(tài)）

• 瞬態(tài)（時(shí)域）

模擬仿真器使用算法來(lái)分析不同模式下的電路行為。這種算法采用求解矩陣的過(guò)程來(lái)預(yù)測(cè)電路性能。在模擬仿真中，信號(hào)以連續(xù)變化的值傳播。

數(shù)字仿真

數(shù)字電路仿真包括使用通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（HDL）生成的電路行為模型。在這種方法中，與模擬仿真不同，離散電壓值（主要是邏輯0和邏輯1）會(huì)傳播。對(duì)于電路中邏輯電平的傳播延遲的不同值，用于這種信號(hào)傳播的技術(shù)具有變化的精度。與模擬仿真相比，該技術(shù)允許在更短的時(shí)間內(nèi)對(duì)更大的電路進(jìn)行仿真，并使用更少的計(jì)算資源。

混合信號(hào)仿真

混合信號(hào)仿真方法集成了模擬和數(shù)字仿真技術(shù)。在這種情況下，電路分為兩個(gè)不同的系統(tǒng)（模擬和數(shù)字），以在每個(gè)電路段中進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觥?/span>數(shù)字仿真保持事件驅(qū)動(dòng)，而模擬信號(hào)保持原樣。

電路分析類(lèi)型

電路模擬器運(yùn)行各種類(lèi)型的分析，從而提供有關(guān)電路的不同信息。以下是幾種電路分析類(lèi)型：

瞬態(tài)分析

瞬態(tài)分析是指從一種穩(wěn)態(tài)條件變?yōu)榱硪环N穩(wěn)態(tài)條件期間的電路分析。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或閉合時(shí)，或當(dāng)電源突然發(fā)生變化時(shí)，電路會(huì)發(fā)生快速變化。當(dāng)這種變化發(fā)生時(shí)，處于明顯穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的電路將移至另一個(gè)穩(wěn)態(tài)。狀況。兩個(gè)穩(wěn)態(tài)條件之間的這段時(shí)間稱(chēng)為過(guò)渡期。瞬態(tài)分析用于了解瞬態(tài)期間電流和電壓等參數(shù)將如何變化。

傳遞函數(shù)分析

電子電路的傳遞函數(shù)是一種數(shù)學(xué)函數(shù)，用于對(duì)每個(gè)可能的輸入進(jìn)行理論上的設(shè)備輸出建模。傳遞函數(shù)可以通過(guò)繪制輸入與輸出的關(guān)系圖來(lái)表示，以得到所謂的傳遞曲線。這稱(chēng)為傳遞函數(shù)分析。

噪音分析

信號(hào)噪聲是指電流或電壓的不希望有的變化，通常是隨機(jī)的且幅度很小。每個(gè)電子組件都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲，并且這種噪聲可能來(lái)自?xún)?nèi)部或外部源。可以使用稱(chēng)為信噪比（SNR）的參數(shù)來(lái)測(cè)量電路中的噪聲。信噪比可以定義為所需信號(hào)與不希望的信號(hào)或噪聲之比。SNR以分貝（db）為單位。

工作點(diǎn)分析

操作點(diǎn)是電子組件的操作特性?xún)?nèi)的特定點(diǎn)。對(duì)于電壓和電流恒定的具有恒定源的電路，使用工作點(diǎn)進(jìn)行分析。可以使用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行物理測(cè)量，或者在仿真中，可以通過(guò)在軟件中選擇感興趣的組件進(jìn)行測(cè)量。

電路仿真使用哪個(gè)軟件？

SPICE（具有集成電路重點(diǎn)的仿真程序）是一種流行的開(kāi)源電路仿真引擎。它接受一個(gè)描述電路以執(zhí)行各種仿真的網(wǎng)表。網(wǎng)表是描述電路中使用的每個(gè)組件及其連接位置的文本。LT spice是另一種類(lèi)似于SPICE的開(kāi)源電路仿真軟件。

使用Analog Devices Inc.LTspice?進(jìn)行電路仿真

以下是一些基本電路及其分析：

直流分析

首先，我們將看一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器電路。它在10k和5k歐姆電阻上具有10V DC輸入。輸出端還有一個(gè)電容器。

直流輸入的分壓器電路

如果我們看輸入和輸出直流電平，我們將得到如下圖

使用直流電壓源的電路瞬態(tài)分析

在此，輸出電壓V（輸出）為3.333V。

現(xiàn)在，讓我們將輸入從DC更改為振幅為1V，頻率為1kHz的正弦波，并分析電容器兩端的電壓和電流。

帶正弦波輸入的分壓器電路

使用正弦波源進(jìn)行瞬態(tài)分析

這些是輸入和輸出電壓。我們還可以繪制通過(guò)任何組件汲取的電流和功率。

電容器C1在圖中顯示為滯后

通過(guò)電容器C1的電流滯后于電壓。

現(xiàn)在，讓我們給出一個(gè)脈沖輸入。我們將選擇一個(gè)時(shí)間周期為1ms的脈沖，其上升時(shí)間和下降時(shí)間為10ns，幅度為5V，導(dǎo)通時(shí)間為0.2ms。

帶脈沖輸入的分壓器電路

在輸出中，我們可以觀察到當(dāng)輸入導(dǎo)通且電流為正且脈沖為零時(shí)，電容器兩端的電壓上升，電容器放電而電流為負(fù)。 

脈沖輸入瞬態(tài)分析

AC分析

現(xiàn)在讓我們進(jìn)行AC分析

交流輸入的分壓器電路

在這里，我們需要指定掃描類(lèi)型，讀數(shù)數(shù)量，開(kāi)始和結(jié)束頻率，以對(duì)電路進(jìn)行交流分析。

AC分析圖

讓我們看一下一個(gè)電路，它有點(diǎn)像中心頻率為50MHz的LC帶通濾波器。 

LC帶通濾波器電路

現(xiàn)在，我們將設(shè)置交流掃描。繪制輸出后，我們可以看到在不同頻率下的衰減以及在50MHz左右的中心頻率。

交流掃描分析

電路仿真是PCB設(shè)計(jì)人員在電路板制造之前了解電路行為的寶貴工具。電路仿真的使用可以幫助防止昂貴的PCB返工和設(shè)計(jì)效率低下。