PCB設(shè)計人員必須考慮各種設(shè)計參數(shù)才能設(shè)計出成功的電路板。為了確保其設(shè)計準(zhǔn)確，設(shè)計人員可以使用電路仿真來了解其電路的動態(tài)行為，從而實現(xiàn)高效的電路板設(shè)計。

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證電氣/電子電路功能的過程。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？

電路仿真通過使用原理圖編輯器設(shè)計電路并使電路表示經(jīng)受恒定或變化的輸入來進行。記錄并分析得到的信號輸出。

電路仿真器旨在模擬電路組件的行為，以實現(xiàn)與實際運行的電路相同的信號輸出。

設(shè)備型號

設(shè)備模型是使用理論和實驗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。這是通過使用V / I（電壓與電流）和V / T（電壓與時間）數(shù)據(jù)完成的，而不會泄露任何專有信息。IBIS模型旨在用于系統(tǒng)板上的信號完整性分析。

有哪些不同類型的模擬？

在本文中，我們專注于模擬電路仿真。以下是電路仿真的類型：

模擬模擬

模擬電路仿真過程包括使用電子電路的精確表示來獲得與輸入相對應(yīng)的精確信號輸出。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)（時域）

模擬仿真器使用算法來分析不同模式下的電路行為。這種算法采用求解矩陣的過程來預(yù)測電路性能。在模擬仿真中，信號以連續(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硬件描述語言（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）會傳播。對于電路中邏輯電平的傳播延遲的不同值，用于這種信號傳播的技術(shù)具有變化的精度。與模擬仿真相比，該技術(shù)允許在更短的時間內(nèi)對更大的電路進行仿真，并使用更少的計算資源。

混合信號仿真

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

電路分析類型

電路模擬器運行各種類型的分析，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)開關(guān)斷開或閉合時，或當(dāng)電源突然發(fā)生變化時，電路會發(fā)生快速變化。當(dāng)這種變化發(fā)生時，處于明顯穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的電路將移至另一個穩(wěn)態(tài)。狀況。兩個穩(wěn)態(tài)條件之間的這段時間稱為過渡期。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)，用于對每個可能的輸入進行理論上的設(shè)備輸出建模。傳遞函數(shù)可以通過繪制輸入與輸出的關(guān)系圖來表示，以得到所謂的傳遞曲線。這稱為傳遞函數(shù)分析。

噪音分析

信號噪聲是指電流或電壓的不希望有的變化，通常是隨機的且幅度很小。每個電子組件都會產(chǎn)生信號噪聲，并且這種噪聲可能來自內(nèi)部或外部源。可以使用稱為信噪比（SNR）的參數(shù)來測量電路中的噪聲。信噪比可以定義為所需信號與不希望的信號或噪聲之比。SNR以分貝（db）為單位。

工作點分析

操作點是電子組件的操作特性內(nèi)的特定點。對于電壓和電流恒定的具有恒定源的電路，使用工作點進行分析。可以使用數(shù)字萬用表對工作點進行物理測量，或者在仿真中，可以通過在軟件中選擇感興趣的組件進行測量。

電路仿真使用哪個軟件？

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

使用Analog Devices Inc.LTspice?進行電路仿真

以下是一些基本電路及其分析：

直流分析

首先，我們將看一個簡單的分壓器電路。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

通過電容器C1的電流滯后于電壓。

現(xiàn)在，讓我們給出一個脈沖輸入。我們將選擇一個時間周期為1ms的脈沖，其上升時間和下降時間為10ns，幅度為5V，導(dǎo)通時間為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，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型，讀數(shù)數(shù)量，開始和結(jié)束頻率，以對電路進行交流分析。

AC分析圖

讓我們看一下一個電路，它有點像中心頻率為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)計效率低下。