如何通过SPICE仿真来更好地理解RLC电路

RLC电路不仅是电子学类别的基本电路，它们还提供了一种语言来解释具有电抗性的任何线性电气系统的行为。所有RLC电路都可以由电阻器，电容器和电感器组成，这些模型可以用于对线性时不变（LTI）系统中的电性能进行建模。您可能要建模的系统中可能没有任何实际的电容器或电感器，但是无论如何它可能都表现出电容性或电感性阻抗。

当您需要分析真实的RLC电路，或者需要分析更复杂的电气系统（例如，一组传输线）的模型时，只要可以为系统构建RLC模型，就可以使用同一组分析工具。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脉冲响应，级联和传递函数。这是创建RLC模型的方法，以及可以使用正确的分析工具在电路模型中检查的内容。

　　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，将真实的电路元件和寄生电路结合起来以形成等效的RLC网络。真实的LTI系统可以建模为RLC网络，因为电阻器，电容器和电感器是描述电路中的电压和电荷如何与电场和磁场相互作用的基本电路元件。

一个系统的RLC模型只有在包含实际电路元素和寄生电容的情况下才能完成。在一起使用时，寄生效应会与您设计的RLC网络中的理想电气行为产生一些偏差。RLC电路分析的一部分是检查这两个点的作用，以便更好地了解实际PCB布局的电气性能。

　　PCB布局中的寄生虫

尽管我们希望原理图能够完美地表示PCB布局中的真实电路，但事实并非如此。预期的电路元件之间的R，L和C元件无意间产生了寄生效应。这些元件有时以复杂的方式组合并增加电路的总阻抗。您可以在以下区域的PCB布局中发现不同的寄生元件：

平行导体：两根导体平行放置时，它们会有一定的寄生电容。当导体之间存在一些非零电位时，位移电流将在它们之间流动，从而增加电路中的总电流。

电流环路：导体的任何环路（包括平面和具有一定阻抗的导体桥）都会具有一些寄生电感。然后，任何交变磁场都可以在导体回路中感应出电流。这可以说是低EMI抗扰性的最常见原因之一。

直流电阻：任何传导电流的导体也将具有一定的直流电阻，这会增加系统的总阻抗。

显然，PCB布局中的环境会在原理图中的实际电路中添加一些R，L和C元素，并且由此产生的电路行为可能会非常复杂。从物理上讲，这些寄生因素会影响诸如传输线阻抗，焊盘电容，过孔电感以及实际PCB布局中的其他众所周知的影响。确定了PCB布局中的哪些位置以及RLC电路模型中的位置之后，您就可以从原理图中进行仿真来检查电气性能。

　　RLC电路分析中要模拟的内容

SPICE仿真构成了RLC电路分析的基础，既用于提取寄生元件的值，又用于检查电性能。作为RLC电路分析的一部分，应执行一些基本仿真：

瞬态分析：PCB中的实际系统由一系列输入驱动；这些不仅仅是直流或谐波交流电源。在时域中仿真电路响应是RLC电路分析的核心部分。此处的目标是从视觉上确定系统的相位延迟，增益/损耗以及由于系统的电抗性阻抗引起的整体信号失真。

传递函数：传递函数显示RLC电路模型中的交流频率响应，可用于确定特定频率下电路的输出。一个相关的仿真是零极点分析，它可以在单个仿真中返回谐振频率和阻尼常数。

参数扫描：此仿真全部与提取寄生物和优化设计有关。通过遍历一系列值，您可以看到寄生或电路元件的值对信号指标（例如，电压或电流，信号失真，相位延迟等）的影响如何。

无论您是在布局前分析电路，还是确定布局后的寄生效应，都可以使用这些核心仿真来更好地理解RLC电路。

下图显示了在具有多个RLC网络的电路中典型的频率扫描仿真的结果。对于单个RLC网络，您可能能够轻松计算出电路的谐振频率，但是在可能存在寄生的真实RLC网络中，这并不容易。在这里，我们可以轻松地看到网络中的预期谐振频率（〜505 MHz），以及网络中额外的意外的高Q谐振，以及低频处的一些复杂的带通行为。

RLC电路分析频率扫描结果可用于进一步的电路优化。

如果您的电路是高速或高频电气系统的一部分，则通常需要提取RLC网络的S参数。一旦有了S参数，就可以将它们转换为ABCD参数，这使您很容易看到电路模型如何适合级联电路网络。到目前为止，使用ABCD参数是检查高速和高频电路中脉冲响应和高频响应的最简单方法。
编辑：hfy