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Transiente Signalanalyse im PCB Board Design
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Transiente Signalanalyse im PCB Board Design

Transiente Signalanalyse im PCB Board Design

2022-08-29
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Author:iPCB

Transiente Reaktionen in Verbindungsleitungen und an Stromleitungen in Leiterplatte sind die Ursache von Bitfehlern, Timing Jitter, und andere Probleme mit der Signalintegrität. Sie können die Entwurfsschritte bestimmen, die Sie beim Entwurf der perfekten Schaltung mit Hilfe der Transientensignalanalyse unternehmen müssen. Transiente Signalanalyse in einfachen Schaltungen kann manuell überprüft und berechnet werden, Ermöglicht die Darstellung der transienten Antwort im Laufe der Zeit. Komplexere Schaltungen können schwierig manuell zu analysieren sein. Stattdessen, Sie können den Simulator für die zeitbereichsübergreifende transiente Signalanalyse während des Simulatordesigns verwenden. Sie brauchen nicht einmal Programmierkenntnisse, wenn Sie die richtige Design-Software verwenden. Formal, transients may occur in circuits that can be written as a set of coupled first-order linear or nonlinear differential equations (autonomous or non-autonomous). Das transiente Ansprechverhalten kann auf verschiedene Arten bestimmt werden.

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Eine transiente Reaktion ohne Rückkopplung in einem zeitinvarianten Schaltkreis fällt in eine von drei Situationen:

1) Überdämpft: Langsam abfallende Reaktion, keine Schwingungen

2) Kritische Dämpfung: schnelle Zerfallsreaktion, keine Oszillation

3) Unzureichende Dämpfung: gedämpftes Schwingverhalten


Für die Schaltungssimulation können Sie Simulationen der transienten Signalanalyse direkt aus dem Schaltplan ausführen. Dies erfordert die Berücksichtigung zweier Aspekte des Schaltungsverhaltens:

1) Fahrsignal. Dies definiert die Änderung der Eingangsspannung/Strompegel, die die transiente Antwort verursacht. Dies kann eine Änderung zwischen zwei Signalpegeln (d.h. Schalten digitaler Signale), ein Einbruch oder eine Spitze des aktuellen Eingangssignalpegels oder eine beliebige andere Änderung des Antriebssignals beinhalten. Du könntest erwägen, mit einem sinusförmigen Signal oder einer beliebigen periodischen Wellenform zu fahren. Sie können auch die endliche Anstiegszeit des Signals berücksichtigen, wenn es zwischen den beiden Ebenen wechselt.

2) Ausgangsbedingungen. Dies definiert den Zustand der Schaltung, wenn das Antriebssignal schwankt oder die Antriebswellenform eingeschaltet ist. Nehmen wir an, dass zur Zeit t=0 die Schaltung zunächst in einem stationären Zustand ist (dh, es gibt keine vorherige transiente Antwort in der Schaltung). Wenn keine Anfangsbedingungen angegeben sind, wird angenommen, dass Spannung und Strom bei t=0 Null sind. Nach dem Ausführen der Simulation erhalten Sie einen Ausgang, der das Eingangssignal und den Ausgang überlagert, so dass Sie genau sehen können, wie verschiedene Änderungen des Signalpegels transiente Reaktionen erzeugen. Ein Beispiel für das Schalten digitaler Signale wird unten gezeigt. In diesem Schaltkreis gehen wir davon aus, dass die Anfangsbedingungen nicht angegeben sind. Das transiente Ansprechverhalten des Stroms weist aufgrund unzureichender Dämpfung starke Über- und Unterschwingungen auf. Eine Lösung ist hier, einen gewissen Serienwiderstand an der Quelle hinzuzufügen, um die Dämpfung zu erhöhen. Eine bessere Lösung besteht darin, die Induktivität zu reduzieren oder die Kapazität in der Schaltung zu erhöhen, um die Reaktion in einen gedämpften Zustand zu bringen.


Transiente Signalanalyse nach Schaltplan und Layout

Die Ausgabe ist ähnlich wie bei der reflektierten Wellenformsimulation, bei der die einfallenden und reflektierten Wellen in einer Nachlayoutsimulation verglichen werden. Der Unterschied besteht in diesem Fall darin, dass wir an einem Schaltplan arbeiten, der Parasiten in der Leiterplatte nicht berücksichtigt. In einer Nachlayoutsimulation werden Parasiten berücksichtigt und Ihre Ergebnisse der transienten Signalanalyse können Sie dazu veranlassen, einige Änderungen am Layout oder Stapel vorzunehmen, um das oben beschriebene Klingeln zu reduzieren. Wenn die oben genannten Ergebnisse in der Nachlayout-Signalintegritätssimulation der Übertragungsleitung gesehen werden, besteht eine Lösung darin, die Schleifeninduktivität in der Verbindung zu reduzieren und die Kapazität zu verringern. Dadurch wird die Dämpfung der Schaltung erhöht, ohne die charakteristische Impedanz zu ändern. Dadurch wird auch die Resonanzfrequenz in der Schaltung auf einen höheren Wert verschoben und die Klingellamplitude reduziert. Eine weitere Option ist die Serienbeendigung am Fahrer.


Pol Null Analyse

Eine Alternative zur Zeitbereichssimulation ist die Pol-Null-Analyse. Diese Technik bringt die Schaltung in die Laplace-Domäne und berechnet die Pole und Nullen in der Schaltung. So können Sie sofort sehen, wie sich die transiente Signalantwort in der Schaltung verhält. Beachten Sie, dass diese Art von Simulation immer noch die Anfangsbedingungen in der transienten Signalanalyse berücksichtigen kann, so dass die Ergebnisse allgemeiner sind. Allerdings können Sie die Größe des transienten Signals nicht direkt sehen, da Sie das Verhalten der Eingangswellenform nicht explizit berücksichtigen.


Stabilität und Instabilität in der transienten Signalanalyse

Eine Sache, die man hier beachten sollte, ist die Möglichkeit der Instabilität in Schaltkreisen, die Feedback enthalten. In einer typischen Schaltung, Sie werden den Schaltplan und das Layout der Leiterplatte überprüfen, Sie werden fast immer auf stabile Transienten stoßen. Das obige Beispiel zeigt eine stabile Antwort. Trotz transienter Schwingungen, das Signal schließlich in einen stationären Zustand zerfällt. In Schaltungen mit starkem Feedback, transiente Schwingungen können instabil werden und mit der Zeit wachsen. Verstärker sind eine bekannte Situation, in der thermische Schwankungen oder eine stark unterdämpfte Reaktion in Gegenwart von starkem Feedback die Reaktion des Verstärkers dazu führen können, instabil und gesättigt zu werden.. Eine gesättigte nichtlineare zeitinvariante Schaltung wird diese instabile Amplitude schließlich zwingen, sich auf ein konstantes Niveau zu setzen. In der transienten Signalanalyse, Sie können Instabilitäten im Zeitbereich leicht erkennen; Dies wird mit einem exponentiellen Anstieg der Leistung in einem unterdämpften Zustand erscheinen. In der Pol-Null-Analyse, der reale Teil ist positiv auf die Leiterplatte.