简单RLC电路时域分析的SPICE仿真

2019年5月20日

绿色PCB上的铁氧体环作为带通滤波器的一部分

我一直是个数学爱好者，尤其是电路分析。我总是发现数学的优雅令人满意，但有时如果你使用正确的模拟包，事情会更容易。

如果你不是那种喜欢解微分方程的人，或者你只是喜欢写代码，当你使用SPICE模拟器时，你可以对RLC网络在时域中的行为有一些深入的了解。您也可以在频域中分析这种行为，可以通过迭代多个频率，也可以直接在频域中工作。让我们来看看基本的RLC网络，看看我们如何在SPICE包中重现这些电路的行为。

简单RLC电路的时域分析

RLC电路包含电阻、电容和电感的某种排列，通常称为RLC电路。由于电容和电阻具有频率依赖性的电抗，在交流信号驱动下，该系统的行为将产生一些有趣的影响。在处理谐波信号、脉冲或啁啾信号时，电压源对保持调节至关重要。在频域工作时，您可以清楚地看到RLC电路的输出和RLC网络中各个部分的电流是如何受到电压/电流源频率的影响的。

频域的结果可以通过傅里叶反变换转换回时域(反之亦然)。然而，有些效果像瞬态响应更容易在时域中计算。SPICE模拟由于其相对简单的矩阵公式，自然地适合于时域分析。

RL和RC电路也很有趣，它们与RLC电路有关。如果您正在使用一个更大的RLC网络，而不仅仅是一个简单的串联RLC电路，了解这些电路的行为将有助于解释您的时域模拟结果。当处理RLC电路的解析解时，RC或RL电路的行为可以通过在相关RLC电路的解中分别取L = 0或C = 0来得到。

请注意，当与直流电源一起使用时，与电阻并联的电感(RL电路)基本上会形成短路。因为电感的阻抗是频率的线性函数，电感的阻抗将为零与直流电源。这种类型的电路对直流电路不太感兴趣，但它用于将放大器与高频电容负载效应隔离开来。

对于RC电路，您可以使用时域模拟来分析当电容器与电阻串联时，交流电压如何耦合到电路中。或者，当电阻和电容并联时，可以检查交流信号是如何绕过电阻的。这在电源完整性分析，您可能需要检查来自直流电源的任何交流噪声成分是否被过滤掉。这两种分析都应作为频率的函数进行，以便了解RC电路如何作为滤波器。

用RLC网络进行瞬态分析

RLC网络，以及更大的RLC网络中的RC或RL网络，将在时间上有特定的响应，这取决于您是否使用谐波源、任意波形、直流源或任何其他可以轻松定义为时间函数的源来驱动电路。这就是为什么时域模拟对RLC网络如此有用，允许您检查电路对脉冲或啁啾(或两者)电压源的响应。

啁啾脉冲在雷达和光学应用中具有重要意义

当与交流源在美国，大多数带有图形用户界面的SPICE包都允许你扫描一系列交流频率，并分析设备的行为。但是，您也可以进行瞬态分析，并检查电路如何及时响应不同频率的交流源。在这里，您可以检查电路在不同频率下的时域输出，并比较信号的不同质量。

瞬态分析也有助于检查网络如何响应直流输入或脉冲。使用直流输入，您可以检查由于直流电压源输出的变化，电路的不同部分功率上升到不同电压和电流的速率。这些曲线以指数形式出现，称为瞬态曲线。它们在pcb中有重要的影响，因为它们决定了电路对驱动电压的确定变化的响应速度，例如，由于电力输送网络中的噪声或由于开关数字信号。