小信号分析在电路仿真中的应用

当大多数人看电子设备的方程式时，他们通常只是想代入数值来确定电路的行为。如果你是在数学和科学课上长大的，你可能已经习惯于这样做了。但是，您可以使用其他分析技术来加速电路分析。

在某些情况下，即当您使用非线性电路或多端口网络时，电路的行为可能不那么明显，手工计算所有内容的过程变得棘手。这就是小信号分析对于使用基于spice的模拟器检查电路行为变得至关重要的地方。

交流分析与仿真技术

有许多交流分析和仿真技术，用于检查线性或非线性电路的行为。可以说，最常见的是交流频率扫描，其中驱动器的频率以指定的增量扫过一系列值。目的是检查电路对不同频率的反应。

非线性和有源电路元件，尤其是与任意电压/电流源，频率扫描分析可能会变得复杂。特别地，SPICE模拟中使用的高斯-乔丹技术只能用于线性电路的交流分析。因此，检查非线性电路的交流行为需要不同于在直流电路上使用的技术。

这就是小信号分析的用武之地。在此分析中，非线性电路元件近似为线性电路元件。这立即使非线性元件适用于同样的高斯-乔丹电路分析技术。注意，此分析仅适用于DC分析之上;必须首先确定非线性元件在特定直流偏压下的行为交流驱动接近此直流值可以确定使用线性近似。

为什么在小信号分析中使用直流分析?

为什么需要一个DC值?这不是一种交流分析技术吗?这是必须做到的，因为非线性电路在一个电压范围(例如，V1到V2)之间的响应与在不同电压范围(例如，V2到V3)下的响应是不同的。重点是确定电路的行为，当交流驱动电压在某个特定值范围内变化时。这就是为什么在检查交流电压下的行为之前，电路必须在特定的直流电压下进行分析。

实现小信号分析的关键是首先选择一个直流偏置对电路的性能进行评估和分析。目标是确定在这个特定的直流偏压下非线性电路元件的跨电阻(跨导的倒数)。一旦你知道了每个非线性元件的跨导，你就可以将电路重建为一组电阻等于跨导电阻倒数的线性元件。

在这里，给定电路元件的线性近似可以用泰勒级数近似找到。小信号分析依赖于选择的直流偏置值附近的近似;任何设备输出的电流都可以写成输入直流电压V和所选直流偏置U的函数，使用泰勒级数:

小信号分析中非线性器件输出的泰勒级数

此时，转电阻正好等于输入电压与输出电流之比:

直流偏置U附近的横向电阻

这样做的优点应该是显而易见的:电路元件就像一个电阻，上面计算的输入电压V的任何值，其中V接近u，这意味着你现在可以在典型的交流分析中使用这个等效电阻。在这个分析中，您将实际模拟直流驱动电压u之上的交流驱动电压，这使您可以看到电流如何在一定的值范围内响应交流电压。

对于更复杂的电路元件，如晶体管、放大器、真空管或其他器件，您可能需要计算许多其他电阻，以正确地创建用于小信号分析的等效线性电路元件。关于这个主题有大量的文献，不同的模型需要不同的参数来提供准确的计算。

其它作用:电容和跨阻

如果您熟悉半导体器件，那么您就知道在各种器件中存在门和结电容，这些器件会影响开关行为和交流响应。因此，您需要通过考虑在特定电流下通过器件的总电荷来确定器件的等效电容。然后，您可以通过计算跨阻抗来为电路元件创建等效的线性模型，同样，跨阻抗只是在特定输入电压下的阻抗值。

对于半导体器件，您需要考虑载流子通过器件中不同区域的正向传输时间(或反向传输时间，如果以反向偏置驱动)，以计算由流动电流引起的总电荷。再加上存储在器件中所有其他电容区的电荷，就得到了总电荷的函数。然后你可以通过对输入电压求导来计算器件的等效电容。

一旦你知道了在特定的直流偏压下的等效电容，你就可以用电容值以通常的方式定义超越电阻。一旦你开始检查直流偏置周围的交流变化，跨阻将影响电路中电压和电流之间的相位差。

小信号分析需要做一些工作来确定模拟参数，但是使用正确的基于spice的模拟包可以加快模拟速度。的OrCAD PSpice模拟器从节奏帮助您快速找到电路的直流偏压点，而无需进行任何手动计算。这将帮助您在PSpice找到的DC条件之上执行AC分析。这种独特的包装是适合的复杂PCB设计并直接与原理图数据接口。

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