电流负载如何影响信号

你能捕捉到什么

• 不同类型的载荷会产生不同的频域和时域行为。

• 在电路设计过程中，可以使用一些简单的模拟来提取这些重要的信息。

• 一旦构建了这些重要的信号模拟，就可以导入活动组件的模拟模型，以检查它们如何影响不同类型的信号。

您不需要一个作用域来查看当前负载如何影响信号。下面是如何在原理图中检查电阻和反应信号的行为。

对于简单的电路和简单的信号源，通常很明显不同的电路和负载如何影响电路输出的信号行为。对于更复杂的电路和宽带模拟信号，信号如何受电路本身的影响，或电流负载如何影响信号行为，并不总是很明显。虽然您可以手工计算出信号行为的这些方面，但并不是每个人都是数学家，您需要一些工具来加快对复杂电路的分析。

当您可以在原理图设计软件中访问功能强大的模拟引擎时，您可以快速检查负载阻抗如何在频域和时域影响信号行为。一些简单的模拟将向您展示负载及其上游电路如何修改信号。下面介绍如何使用PSpice从原理图直接执行这些任务，以及执行这些任务需要哪些模拟工具。

频域还是时域?

在分析信号行为时，选择在频域还是时域工作取决于需要从设计中提取什么信息。如果你用一个数字信号驱动电路，你通常不需要担心更多的发生在频域，因为信号的功率谱是明确的。相反，你应该看看瞬态行为电路中的信号，以确保信号的上升时间在规范内。

在处理宽带信号或谐波信号时，您是否需要在频域或时域工作取决于您的特定应用程序。最有可能的情况是，您需要确定两种情况下的信号行为。这些类型的模拟的目标是检查输入信号是否在时域内没有过度失真，以及一旦信号达到负载，信号的频率内容是否被保留。

下面是在处理不同类型的信号时需要检查的一些要点。您需要对负载分量处的信号进行跟踪(要么是负载上的电压，要么是进入负载的电流)。

电流负载如何影响信号:电阻负载和无功负载

因为单个元件对输入波形的影响不能通过单独的元件来检验，我们必须在更大的电路中观察这些元件。下图是一个简单的电路，一个调频源(1a, 1khz，调制指数为4)连接到一个π过滤器电阻性负载(R2)。这种类型的源具有很强的调制性，在时域中很容易看到，但在R2处的时间行为并不总是很明显。下面的Pi滤波器作为一个低通滤波器，但它也可以通过交换电容和电感改变为一个高通滤波器。

具有50欧姆输出阻抗的FM源连接到Pi滤波器和下游负载(R2)。

由于负载是电阻性的，我们应该期望简单的低通滤波和与源波形相比，在负载处的波形相移。这个滤波器的截止频率是~2.3 MHz，所以我们不应该期望在源的载波频率有严重的衰减。然而，源上的电阻输出(R1 = 50欧姆)将影响瞬态响应并修改传递函数。通过观察负载的波形时域和频域，你可以看到负载和任何上游电路是如何改变信号行为的。

下图显示了一个简单的暂态分析，比较了源电流波形(绿色)和负载电流(红色)。我们可以看到，瞬态响应在最初~ 1ms内消失，在负载处的波形在之后的所有时间内都表现一致。在信号水平上明显有一些衰减，但这主要是由于Pi网络和负载的组合阻抗，而不仅仅是负载本身。

时域源(绿色)和负载(红色)处的电流波形。

在这个模拟中需要考虑的重要一点是时域的分辨率。这里，分辨率设置为10 μs，即载频振荡周期的1%。这使得在上述跟踪中，每1 ms周期总共有1000个数据点。在PSpice中，当您创建模拟配置文件时，可以轻松地设置这些模拟参数。

连续频域模拟结果

当你想在频域比较源信号和负载信号时，你可以使用上述结果的傅里叶变换。为了真正了解信号中不同的频率分量是如何受到影响的，你应该将负载处的电流波形归一化，使负载峰值电流等于时域中的源峰值电流。下图显示了电路如何在频域影响调频信号。在红色的轨迹中，有轻微的滚落，但这不是由于Pi滤波器的传递函数，因为我们正在处理较低的频率信号。

源波形(绿色)和负载波形(红色)中的频率内容。注意，负载电流已按其最大值归一化，以提供更好的比较。

注意，上述模拟是在电阻负载下进行的;只有在频域的衰减发生在Pi网络，而在时域信号的更大的减少是由于负载电阻。为了检验无功负载会发生什么，下面的示意图将电阻负载R2替换为电感负载L2。

上面所示的电路经过修改，具有电感负载(L2)。

新的负载具有高电感，在载频处阻抗为62.83i欧姆，这比原来的1000欧姆电阻要低得多。当我们再次运行模拟时，我们看到非常不同的结果。这个新电路的时域源和负载结果如下图所示。

时域源(绿色)和负载(红色)处的电流波形。

在这里，负载组件的瞬态响应衰减非常快(在~0.1 ms之前)，因为电路中的整体电阻更小。从时域电流波形来看，在不同频率处都有一定的共振。这可以在红色示踪(负载)与绿色示踪(源)的放大中看到。

电路放大输入调制信号的位置可能不明显。这是另一个傅立叶变换可以用来提取每个信号的频率内容，并在频谱图上进行比较。每个信号的傅里叶变换在下图中进行了比较。

源波形(绿色)和负载波形(红色)中的频率内容。

从这里我们可以看到，在峰2-4处有宽带放大，在峰3处放大最为明显。如果我们考虑这个修改的原理图中的布局，负载L2和输出电容C1形成一个谐振频率为2.32 kHz的LC槽电路。Pi滤波器中的其他组件将修改这个谐振到一个较低的值，我们可以看到这个谐振位于大约1.6 kHz。

在~2.5 kHz以上也有稍大的滚离。有人会认为这是由于电感负载导致Pi滤波器成为一个更复杂的四阶滤波器，因此滚降应该更大。这可以通过测量传递函数来研究频率扫描．请注意，这将在负载位置连接L2和不连接L2的情况下完成，这将允许两个传递函数进行比较。

这应该表明负载组件的频率依赖行为将如何影响电路中的上游组件和负载看到的结果信号。在电阻负载的情况下，电路中的电阻提供了一些衰减，而Pi滤波器产生了一些相移，并使输入信号失真。当我们有一个感性负载，电感耦合回Pi滤波器，以创建一个更复杂的共振谱。

使用主动负载组件

主动负载组件将产生更有趣的行为，需要使用经过验证的模型进行模拟。幸运的是，许多零部件制造商已经花时间开发验证用于PSpice的仿真模型以及其他模拟程序。当检查不同组件的电行为和它们如何影响输入波形时，这为您节省了大量的时间和猜测。

当您需要模拟复杂电路中的信号行为时，您需要一套模拟工具，可以向您展示电流负载如何影响频域和时域中的信号。最好的模拟器将在您的PCB设计与分析软件作为预布局仿真功能。的前端设计功能来自Cadence与强大整合PSpice软件模拟器创建了一个完整的系统，用于设计原理图和检查电流负载如何影响信号。

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