电路分析之等效模型
电路分析之等效模型
在电路设计和分析中，理论计算与实际元器件更换的关系一直是一个备受争议的话题。本文将从电路等效模型的角度，探讨为什么理论计算有时会与实际测量值产生较大偏差，并介绍集总参数电路模型在不同频率下的应用。
理论计算与直接更换元器件
在工作中经常听到这样的一种论调：
“这个电路理论上不用算直接拿一个元器件上去试一下就知道行不行了。”
“你算半天结果和实测值相差很大，根本没必要算，算也算不准，还不如直接换元器件来得快。”
这种说法错吗？没有错，确实在工程上很多时候理论的计算还不如直接更换元器件来得快。这也便导致越来越多的硬件工程师，慢慢地把以前在大学学的那一点点的理论计算归还如老师。硬件设计更多的是依赖于元器件或方案供应商，一遇到问题，换了几个元器件还解决不了后，便电话联系供应商技术支持。而不会从根本上自己分析和解决遇到的问题。做为硬件工程师，还是需要静下心来，沉下去把基础的电路原理搞明白，才能真正的把所应用的电路搞懂，才能在最短的时间把遇到的问题解决掉，更才能从谈创新和技术升级。之前所说的理论算不对与实测值相差很大，很大程度上是因为电路的等效模型建立不完善导致。接下来我们从最基本的电路建模来聊聊。
集总参数电路模型
不同频率电路采用不同的电路模型
在不处理高频电路一般指100MHz或EMC（电磁兼容）、信号完整性的情况下，我们一般遇到的电路都可以用集总参数电路来等效。集总参数元件是指有关电、磁场物理现象都由元件来集总表征。在元件外部不存在任何电场与磁场。电磁波在该元件内部传输的延时必须远小于信号时间范围，即系统最大电尺寸远小于系统信号的最大波长。d＜＜λ。也就是信号只是与时间变量有关的函数，与位置变量无关。因此在不同频率电路中，同一个元件需要采用不同的等效电路模型。例如一个电感如下图所示
在纯直流稳定后的电路中，其等效为一个电阻R，R值大小为电感的直流电阻；
在交流低频信号中，其等效为一个电阻串联一个感；
在交流高频信号中，其等效为一个电阻与一个电感串联再与一个电容并联。
所以在电路分析之前，需要搞清楚，所要分析的电路元件到底是要用哪种模型来建模。
集总参数模型仅与时间变更有关
以均匀传输线为例
在工作频率分别是50Hz，200kHz和200MHz情况下，分析0.75m的信号走线或通信线缆两端的电压变化。可以看到，在低频时，两者基本相同，但在200MHz时，U1与U2已经存在180度相位差。也就是说明在高频信号中的电路模型还需要考虑位置变量，不能简单的用时间变更来计算。
以后还遇到理论与实际测量值不匹配时，停下来想一想自己的电路模型建立的是否准确。不是理论不对，而是我们自己没有算对而已。