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技術(shù)專題
跟蹤電路設(shè)計(jì)中的電壓和電流
原理圖是您設(shè)計(jì)開(kāi)始的地方，真正的工程就在這里。原理圖還應(yīng)該是您在致力于特定設(shè)計(jì)和布局之前可以隨意嘗試不同設(shè)計(jì)選擇的地方。如果您使用帶有集成模擬器的正確的原理圖設(shè)計(jì)工具集，則不必局限于特定設(shè)計(jì)，并且可以在開(kāi)始PCB布局之前檢查系統(tǒng)的電氣性能。
設(shè)計(jì)原理圖的重要部分是跟蹤整個(gè)電路的電壓和電流。當(dāng)原理圖編輯器包含一組集成的仿真和測(cè)量工具時(shí)，可以很容易地直觀地跟蹤電路中功率的分布位置。并非所有的SPICE仿真軟件包都提供跟蹤電壓和電流在整個(gè)電路中的分布位置所需的工具，因此您不得不閱讀文本行以確定電路中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和電流。
電路中的電壓和電流是根據(jù)一些基本物理定律分配的。具體來(lái)說(shuō)，需要使用基爾霍夫定律和歐姆定律分別跟蹤節(jié)點(diǎn)之間和節(jié)點(diǎn)之間的電壓和電流。對(duì)于簡(jiǎn)單的電路，即使存在非線性組件，也很容易跟蹤電路周圍的電壓和電流。通常，您可以使用筆和紙以及一些簡(jiǎn)單的在線計(jì)算器進(jìn)行此操作。
為復(fù)雜的PCB或IC設(shè)計(jì)的實(shí)際電路可能非常復(fù)雜，通常不會(huì)簡(jiǎn)化為需要求解的一組簡(jiǎn)單的聯(lián)立方程式。對(duì)于具有數(shù)十個(gè)節(jié)點(diǎn)的線性電路，您為基爾霍夫定律公式化的矩陣方程式在原則上是可解的，但問(wèn)題是棘手的，并且容易出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤。將非線性組件添加到電路后，標(biāo)準(zhǔn)矩陣方程式通常會(huì)簡(jiǎn)化為一組必須通過(guò)數(shù)字求解的先驗(yàn)方程式。
集成到電路設(shè)計(jì)工具中的SPICE仿真器非常適合跟蹤實(shí)際電路中不同節(jié)點(diǎn)上的電壓和電流。只需使用電路模擬器中內(nèi)置的測(cè)量工具即可。然后，您可以觀察到電壓和電流分布如何隨著電路中不同參數(shù)的調(diào)整而變化。在此示例中，我們將查看具有多個(gè)組件和所需測(cè)量點(diǎn)的原理圖，以了解如何在整個(gè)電路中跟蹤電流和電壓。
在復(fù)雜電路中選擇測(cè)量點(diǎn)
下圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的子電路，該子電路將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為正脈沖輸出。還有許多其他組件用于顯示此電路中的各種可能的測(cè)量點(diǎn)。在該電路中，有一個(gè)正弦波源，一個(gè)輸入pi濾波器（低通），最后是一個(gè)CMOS反相器。我們想看看在包含直流和交流部分的這種類型的電路中電流和電壓的分布情況。
用于SPICE仿真的原理圖
該示意圖可以是分層結(jié)構(gòu)的一部分，也可以從較大的系統(tǒng)中復(fù)制。當(dāng)您要模擬更大結(jié)構(gòu)中的電路時(shí)，最好將其復(fù)制到新的原理圖中，并單獨(dú)進(jìn)行仿真。隔離要模擬的電路塊后，可以將測(cè)量探針?lè)胖迷诓煌慕M件上。您將能夠在PSpice Simulator中測(cè)量電流，電壓或功率。
示意圖中以灰色顯示了用于跟蹤電壓和電流的測(cè)量探針。在這里，我們將電流探頭和差分電壓探頭放置在電路的輸入和輸出端口。盡管我們將研究輸入和輸出，但是這些探針可以放置在電路中的任何位置。創(chuàng)建仿真配置文件并運(yùn)行PSpice Simulator后，您將需要使用許多選項(xiàng)來(lái)查看整個(gè)電路中計(jì)算出的電壓，電流和/或功率。
仿真結(jié)果
可以在PSpice中可訪問(wèn)的任何仿真工具中使用測(cè)量探針。一些示例分析包括：
直流掃描：直流掃描使電路中的直流電壓在兩個(gè)值之間循環(huán)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)顯示為直流電壓值的函數(shù)。可以使用一個(gè)或多個(gè)來(lái)源進(jìn)行分析。
頻率掃描：在探頭處捕獲的數(shù)據(jù)將以圖表形式顯示為頻率的函數(shù)。
瞬態(tài)分析：這是模擬電路使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)域分析。盡管瞬態(tài)分析通常是指在系統(tǒng)切換狀態(tài)時(shí)檢查穩(wěn)定性和松弛行為，但它通常是指任何時(shí)域仿真和分析。
參數(shù)掃描：可以掃描電路參數(shù)，并可以針對(duì)掃描參數(shù)的每個(gè)值捕獲并顯示測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
瞬態(tài)仿真
一旦將任何探針?lè)胖迷谠韴D中并運(yùn)行了仿真，來(lái)自這些探針的數(shù)據(jù)將顯示在PSpice Advanced Analysis程序的圖形中。Capture CIS使此操作變得容易，因?yàn)樗梢灾苯訌哪脑韴D數(shù)據(jù)自動(dòng)構(gòu)建SPICE仿真。下面的示例結(jié)果顯示了在上述電路的輸出端測(cè)得的電流（黃色）和電壓（綠色）。
PSpice中的瞬態(tài)分析結(jié)果。
在上圖中，為清晰起見(jiàn)，隱藏了電源電壓和電流。在這里，我們可以看到輸出電壓和電流都非常低，盡管該電路確實(shí)提供了占空比為50％的脈沖。確定如何增加電路輸出功率的一種選擇是使用帶有不同組件的參數(shù)掃描。這將給出一系列針對(duì)不同元件值的曲線，并使設(shè)計(jì)人員能夠找出哪些元件值可提供最大功率輸出。
如果單擊鼠標(biāo)回到Capture CIS，您將看到探針已著色，這與PSpice中生成的曲線顏色相對(duì)應(yīng)。此外，還有許多標(biāo)簽顯示整個(gè)電路的電壓測(cè)量結(jié)果。這將向您顯示電路中的參考點(diǎn)，以及相對(duì)于這些參考值的偏置點(diǎn)。
根據(jù)PSpice仿真確定的偏置和參考點(diǎn)。
將網(wǎng)添加到圖形
盡管PSpice中自動(dòng)生成的圖將顯示來(lái)自原理圖中放置的測(cè)量探針的數(shù)據(jù)，但是您仍可以從原理圖中的特定點(diǎn)提取結(jié)果，而無(wú)需重新運(yùn)行仿真。為此，只需創(chuàng)建一個(gè)新圖并添加新軌跡，或者可以將軌跡添加到現(xiàn)有圖。右鍵單擊圖形區(qū)域，然后選擇“添加跟蹤”以查看哪些網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)并可以在圖形上顯示。
在這里，您可以從網(wǎng)絡(luò)及其包含的數(shù)據(jù)的列表中進(jìn)行選擇（網(wǎng)絡(luò)名稱后附有[I]表示的電流，[v]表示的電壓和[p]表示的功率）。您還可以在自定義公式中使用數(shù)據(jù)，以對(duì)數(shù)刻度（dB）顯示值，并為圖形選擇許多查看選項(xiàng)。這些選項(xiàng)可用于頻域和時(shí)域數(shù)據(jù)。帶有時(shí)域結(jié)果的示例如下所示。
通過(guò)PSpice繪制的流經(jīng)L1（紫色）和C1（深青色）的電流。
任何時(shí)域結(jié)果都可以通過(guò)傅立葉變換轉(zhuǎn)移到頻域中。在這種情況下，由于CMOS反相器級(jí)的整流作用，傅立葉變換將顯示諧波產(chǎn)生。除了使用傅立葉變換外，另一個(gè)選擇是直接在頻域中工作。
掃頻
另一種可能性是通過(guò)掃頻仿真觀察頻率響應(yīng)。這樣做不需要交換原理圖中的任何探針。只需在仿真配置文件中啟用頻率掃描即可。這為設(shè)計(jì)人員提供了一種跟蹤復(fù)雜電路中電壓和電流的方法，同時(shí)可以比較不同位置和不同頻率的電路響應(yīng)。設(shè)計(jì)人員還可以執(zhí)行其他重要的頻域分析，例如計(jì)算Bode圖。
如果我們查看上述系統(tǒng)的掃頻結(jié)果，就會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出在高頻下被嚴(yán)重衰減。一個(gè)因素是CMOS反相器級(jí)的帶寬，而另一個(gè)因素是輸入端的pi濾波器。該工作流程說(shuō)明了一種診斷潛在設(shè)計(jì)變更，同時(shí)還可以跟蹤電路中的電壓和電流的方法。
使用大型系統(tǒng)
我們剛剛檢查了一個(gè)電路塊，用于跟蹤電路中的電壓和電流。如果該模塊是較大系統(tǒng)的一部分，則可以在另一電路模塊的輸入上使用仿真結(jié)果。只需使用所需的電路模塊創(chuàng)建一個(gè)新的仿真，然后定義從輸入中的第一個(gè)模塊到第二個(gè)模塊的輸出電流/電壓。這將為您提供一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)檢查串聯(lián)中的不同電路塊如何相互影響。