PCB系列RLC电路设计和分析

2020年的10月28日

关键的外卖

RLC电路是基本在许多应用程序中涉及低和高频率的信号。
系列RLC电路和其他RLC网络是有用的模型来描述寄生行为,阻抗匹配网络,生产阻抗,许多实用电路。
系列RLC电路也是常见的电气行为建模在实际布局的寄生回路元素。

系列RLC电路的行为可以出现在任何布局,包括这一个。

有些电路基本了解实际系统的电气行为,包括你的PCB布局。此外,一些电路出现在多个应用程序,从阻抗匹配网络的电力供应。一系列RLC电路就是一个这样的电路中你会发现电路模型,集成电路,和许多其他真正的实际应用电路。

与其他电路在数字和模拟系统,发现系列RLC电路重要超出实际电路中你会发现PCB布局。这些与RLC电路和较大的电路网络组件找到一个家在建模寄生在很多情况下,最突出的是建模实际电容器和功率输出网络(生产)。因为这些电路的谐振行为是非常重要的在许多应用程序中,我们将看看如何这种行为为什么会发生在现实PCB布局和它链接回到RLC电路的基本属性。

系列RLC电路

下图显示了一个RLC电路的电路图及其相关电行为。二阶微分方程描述电路的电压分布推导出使用基尔霍夫定律。

系列RLC电路和方程。

这个电路也展示一个阻尼振荡,可以欠阻尼的响应,过阻尼或临界阻尼。这发生在电路状态之间的转换,也就是说。,当一个脉冲或阶跃函数驱动的。计算瞬态响应可以很容易地从上面的方程和匹配瞬态响应机械振子。

最后,欠阻尼的系列RLC电路可以表现出共振。如果你计算总阻抗的欧姆定律,你会发现有一个特定的频率,电路中通过的电流是最大化,因为阻抗最小化。这就影响了整个电路、配电和值得比较的串联和并联电路。共振频率是:

系列RLC电路和方程

共振频率在一系列RLC电路。

功率损耗和电压降的共鸣

在上面的电路中,功耗是纯粹的无功电容和电感,电阻时的电阻。在共振,电感或电容电压产生大小相等,方向相反,也就是说他们的无功功率耗散组件取消。同时,电阻经历最大其功耗电流电阻是最大的共鸣。下面的方程总结了每个组件的功率耗散一系列RLC电路。

在共振系列RLC电路功耗。

串联和并联RLC电路

在某些方面,一个平行的RLC电路的行为相反的方式为一系列RLC电路。特别是,阻抗的并联电路电流谐振,最大化而不是最小化。然而,在并联谐振,相同的功耗是观察到两种类型的电路。并联电路是更常见的在射频应用程序作为一个放大器电路、振荡器、过滤器,或匹配网络,而该系列版本是寄生在描述更重要。除了寄生,系列RLC电路仍用在许多重要领域。

系列RLC电路的行为发生在哪里

实际的电路

一系列RLC电路可能出现在一个集成电路或PCB布局。一些实际的PCB布局地区包括:

天线的阻抗匹配网络。在这里,系统的输入阻抗和带宽调整通过调整合适的R, L, C值电路中。我们的目标是将馈线阻抗天线的阻抗匹配。
射频带通滤波器。这些电路配置,确保采购电压最大传输通过在谐振电路。这些电路阻抗匹配源和负载的输入和输出组件,分别以防止反射。
张弛振荡器。这种类型的振荡器利用瞬态响应的RLC电路产生正弦波输出。脉冲phase-matched低工作周期信号时,振荡器输出的正弦信号非常小振幅调制。
共振LLC转换器。这种类型的转换器使用一个较低的LC电路系列寄生电阻提供谐振变换器的开关频率。这提供了最大输出电流在一个狭窄的调节带宽,使电源输出仔细监管通过调整驱动PWM信号的工作周期。

虽然这些应用程序是最有可能熟悉许多设计师,还有许多其他领域系列RLC行为发生。这种行为为什么会发生在其他部分的集成电路或由于PCB布局寄生在系统中。这些无意电路元素在电发挥理想的和不受欢迎的角色行为,根据频率范围和应用程序。

寄生

寄生元素并不是真实的电路,但RLC电路的语言和概念通常被用来帮助描述行为的寄生信号与实际电路和PCB布局。在当今先进的PCB设计,系列RLC电路的行为和共振出现在两个主要领域:

高频率响应的电容器。一个真正的电容器有等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR),所以真正的电容器是一系列RLC电路。出于这个原因,真正的电容器有一个自已谐振频率,产生共振/并联谐振在生产中间频率。
平面、包装和空腔共振。这是另一个生产领域建模,共振出现在高频PCB (~ 100 MHz以上)。这些高阶共振也可以建模为引起RLC串联电路。

当上述两个方面综合考虑,我们可以构造一个标准模型描述生产阻抗。这个模型并行的地方多个系列RLC电路VRM输出和负载之间的组件。这种类型的模型可以检验标准香料模拟器和用于确定适当的解耦电容值来减少供应铁路生产崩溃。

生产用系列RLC电路阻抗