放大器電路何時(shí)使用掃頻測試響應(yīng)不同的頻率

時(shí)域和頻域仿真是檢查電子設(shè)備行為的兩個(gè)基本工具。顧名思義，時(shí)域分析就是要檢查特定信號隨時(shí)間的變化，而不管其帶寬如何。這使您可以全面了解時(shí)域中的電路行為，并且有機(jī)會通過比較輸入和輸出信號來量化諸如信號失真和衰減之類的東西。

模擬工程師通常在頻域工作。設(shè)計(jì)模擬電子設(shè)備的目的是在電路中操縱不同的頻率，這些模擬中使用的基本工具是掃頻測試。當(dāng)您訪問具有經(jīng)過驗(yàn)證的組件模型的功能強(qiáng)大的電子模擬器時(shí)，可以檢查系統(tǒng)如何響應(yīng)不同的頻率。

何時(shí)使用掃頻測試

掃頻測試無疑是在模擬電子領(lǐng)域。目的是分析輸入單色信號如何受到電路中不同組件的影響。然后，將輸入信號的頻率掃描到某個(gè)所需范圍，并記錄每個(gè)輸入頻率值的輸出電壓或電流。具有電抗組件的電路還將對信號施加相移，并且相移會與輸出電壓/電流的大小一起記錄下來。

通常可以使用線性時(shí)不變電路執(zhí)行掃頻測試，而無需調(diào)用電路行為的任何近似值。非線性電路可通過其他一些高級分析進(jìn)行檢查（請參見下文）。無源組件已經(jīng)在模擬器中定義，但是您也可以使用模擬器中經(jīng)過驗(yàn)證的組件模型來評估具有集成電路的電路。掃頻測試的結(jié)果可通過以下方式使用：

構(gòu)造一個(gè)傳遞函數(shù)。這是掃頻的最常見用途。該傳遞函數(shù)是等于輸出電壓在每個(gè)頻率由輸入電壓分割。傳遞函數(shù)的大小和相位在其自己的圖中繪制。

提取電路的輸入阻抗。只需將輸入電壓頻譜除以進(jìn)入等效電路的電流即可獲得輸入阻抗頻譜。

識別電路的帶寬。當(dāng)輸入導(dǎo)納的幅度以對數(shù)刻度繪制時(shí)，您可以提取電路的帶寬。帶寬通常定義為導(dǎo)納比峰值導(dǎo)納下降3 dB的頻率。

示例放大器電路提供的增益。可以從頻率掃描測試結(jié)果中的3 dB點(diǎn)輕松提取帶寬。

與時(shí)域分析相比，掃頻測試具有一些重要的優(yōu)勢。在時(shí)域中檢查信號需要手動提取特定輸入頻率下的阻抗和相位差，這非常耗時(shí)。

然而，時(shí)域分析對于檢查寬帶信號如何受到線性電路的影響是有利的。您可以在時(shí)域中疊加并直接比較兩個(gè)信號。對于帶有任意信號的非線性電路，您需要使用更高級的技術(shù)來了解電路的頻率行為相關(guān)行為。

非線性電路：頻率掃描失敗的地方

僅針對線性時(shí)不變電路或在線性狀態(tài)下運(yùn)行的非線性電路定義了掃頻測試，因此非線性電路需要更復(fù)雜的技術(shù)來了解電路性能。當(dāng)我們說一個(gè)電路是“非線性的”時(shí)，我們的意思是輸出電壓/電流是輸入電壓/電流的非線性函數(shù)。即使在非線性電路中，輸出頻率通常也是輸入頻率的線性函數(shù)。

由于在輸入信號中產(chǎn)生了額外的諧波，非線性電路具有復(fù)雜的頻域行為。為了檢查非線性電路的頻率相關(guān)行為，您需要使用以下分析之一：

小信號分析。這涉及將電路中每個(gè)組件的行為近似為輸入的線性函數(shù)。這些近似值僅在某些工作點(diǎn)附近定義，僅對“小”輸入幅度有效。在每個(gè)輸入電平上進(jìn)行掃頻測試時(shí)，您可以獲得轉(zhuǎn)換函數(shù)，并且可以構(gòu)建一個(gè)圖表，該圖顯示隨著輸入電壓電平變化，轉(zhuǎn)換函數(shù)如何變化。

諧波平衡。這是一個(gè)更復(fù)雜的仿真，將非線性時(shí)不變電路分為其線性部分和非線性部分。隨時(shí)間變化的任意信號被分解為其主要頻率分量，該輸入頻譜被傳遞到非線性電路中。非線性部分將在輸出端產(chǎn)生額外的諧波。這與掃頻并不完全相同，但是您可以迭代不同的頻率并為典型的掃頻測試重新創(chuàng)建一些結(jié)果。該技術(shù)比小信號分析功能強(qiáng)大得多，但是需要手動迭代。

對于連續(xù)的時(shí)變電路，即電路的行為在時(shí)間上平穩(wěn)變化，在考慮系統(tǒng)的初始條件時(shí)，您將不得不在時(shí)域中工作。仿真結(jié)果可能對系統(tǒng)的初始條件非常敏感，因此需要仔細(xì)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)中存在耦合時(shí)，您需要仔細(xì)分析耦合量如何收斂到平衡解或從平衡解發(fā)散，或者它們是否在相空間中產(chǎn)生極限循環(huán)。這些主題仍然是數(shù)學(xué)和工程研究的活躍領(lǐng)域。
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