原理图和布局中的RLC电路分析

2020年12月4日,

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RLC电路分析形成了一种语言，用于构建和理解具有无功阻抗的线性时不变(LTI)系统的电路模型。
为复杂的电气系统建立电路模型需要一定的经验和远见，其中实际的电路元素和寄生体结合起来形成等效的RLC网络。
一旦有了系统的RLC模型，就可以使用一些基本的RLC电路分析技术来模拟电行为。

RLC电路分析

电阻、电容和电感构成RLC电路。

RLC电路不仅仅是电子学课程中的基本电路，它们还提供了一种语言来解释任何具有无功阻抗的线性电气系统的行为。所有的RLC电路都可以由电阻、电容和电感的排列来构建，这可以用来在线性时不变(LTI)系统中建模电行为。您可能想要建模的系统可能没有任何真正的电容器或电感器，但它可能显示电容阻抗或电感阻抗。

当您需要分析一个真实的RLC电路，或一个更复杂的电子系统(如一组传输线)的模型时，您可以使用相同的一组分析工具，只要您可以为您的系统构建一个RLC模型。您使用的RLC模型为您提供了一种简单的方法来检查电路模型中的诸如脉冲响应、级联和传递函数等内容。下面介绍如何创建RLC模型，以及使用正确的分析工具可以在电路模型中检查什么。

从PCB布局到RLC电路模型

为复杂的电气系统建立电路模型需要一定的经验和远见，其中实际的电路元素和寄生体结合起来形成等效的RLC网络。一个真正的LTI系统可以被建模为RLC网络，因为电阻、电容和电感是描述电路中电压和电荷如何与电场和磁场相互作用的基本电路元素。

一个系统的RLC模型只有同时包含真正的电路元件和寄生体，才算完整。当这些寄生在一起时，在你设计的RLC网络中，寄生会产生一些偏离理想的电行为。RLC电路分析的一部分是检查这两点一起的贡献，以更好地理解真实PCB布局的电学行为。

PCB布局中的寄生

尽管我们希望原理图是PCB布局中真实电路的完美表现，但这根本不是情况。寄生作为无意的R、L和C元素出现在你的电路元件之间。这些元件结合并增加电路的总阻抗，有时以复杂的方式。在PCB布局中，你可以在以下区域发现不同的寄生元素:

平行导体:当两个导体平行排列时，它们会有寄生电容。当导体之间有非零电位时，位移电流将在它们之间流动，增加电路中的总电流。
电流回路:任何导体回路，包括具有一定阻抗的导体平面和导体桥，都会有一定的寄生电感。任何交变磁场都可以在导体回路中产生电流;这可以说是最常见的原因之一低EMI免疫力．
直流电阻:任何带电流的导体也会有一些直流电阻，这将增加系统的总阻抗。

显然，PCB布局中的环境在原理图中的实际电路中添加了一些R、L和C元素，因此产生的电路行为可能相当复杂。从物理上讲，这些寄生因素会影响传输线阻抗、衬垫电容、通过电感和真实PCB布局中的其他众所周知的效应。一旦确定了在PCB布局中寄生的位置以及它们在RLC电路模型中的位置，就可以从原理图中运行模拟来检查电行为。

RLC电路分析中要模拟什么

SPICE模拟是RLC电路分析的基础，用于提取寄生元件的值和检查电行为。作为RLC电路分析的一部分，应该执行一些基本的模拟:

瞬态分析:PCB中的真实系统由一系列输入驱动;这些不仅仅是直流或交流谐波源。在时域内模拟电路响应是RLC电路分析的核心部分。这里的目标是通过系统直观地确定相位延迟，增益/损失，以及由于系统无功阻抗引起的整体信号失真。
传递函数:传递函数表示RLC电路模型中的交流频率响应，可以用来确定电路在特定频率下的输出。一个相关的模拟是极零分析，它在一个单一的模拟中返回共振频率和阻尼常数。
参数扫描:这个模拟是关于提取寄生和优化设计。通过迭代一系列的值，您可以看到重要的信号指标(例如，电压或电流，信号失真，相位延迟等)是如何受到寄生或电路元件的值的影响。阅读本文，了解如何使用参数扫描提取寄生。

无论您是在布局前分析电路，还是在布局后确定寄生，您都可以使用这些核心模拟来更好地理解RLC电路。

下面是一个具有多个RLC网络的电路的典型频率扫描模拟的结果。对于单个RLC网络，你可能很容易就能计算出电路的谐振频率，但这在一个真实的RLC网络中就不那么容易了，因为寄生可能存在。在这里，我们可以很容易地看到网络中预期的谐振频率(~505 MHz)，加上网络中附加的意想不到的高q谐振，在低频时具有一些复杂的带通行为。

RLC电路分析结果