Frequenzmodulations-Simulation in Altium Designer

Wenn Sie mit analogen Signalen arbeiten, müssen Sie sicherstellen, dass Ihr Gerät linear arbeitet, um Probleme wie harmonische Verzerrungen während des Betriebs zu vermeiden. Nichtlineare Wechselwirkungen in analogen Geräten führen zu Verzerrungen, die ein sauberes analoges Signal verfälschen. Es ist möglicherweise nicht offensichtlich, wenn ein analoger Schaltkreis nur durch Betrachten Ihres Schaltplans oder der Datenblätter übersteuert wird. Anstatt Ihre Signalkette manuell zu verfolgen, können Sie Simulationstools verwenden, um Einblicke in das Verhalten Ihres Geräts zu erhalten. Einige wichtige Simulationen mit sinusförmigen Signalen, wie eine Frequenzmodulationssimulation, können leicht mit den Pre-Layout-Simulationsfunktionen in Altium Designer^® durchgeführt werden.

In diesem Beitrag werde ich von einer vorherigen Simulation fortfahren und eine FM-Quelle in einen Schaltkreis mit einem Transistor einbringen. Hierbei geht es darum zu sehen, welchen Bereich von Eingabewerten ich mit meiner analogen Quelle verwenden kann, um sicherzustellen, dass das Gerät im linearen Bereich arbeitet, d.h., wenn mein nichtlinearer Schaltkreis aufhört, linear zu funktionieren.

Dies ist besonders wichtig beim Entwurf von Verstärkern und beim Design von transistorbasierten analogen integrierten Schaltkreisen. Bezüglich des allgemeinen nichtlinearen Schaltkreis- und Verstärkerdesigns müssen wir Dinge wie:

• Sättigungsniveau für Schaltungen wie Komparatoren, Schmitt-Trigger oder Operationsverstärker
• Kompressionspunkt, der das Eingangsleistungsniveau bestimmt, bei dem Intermodulationsprodukte prominent werden und Ihre Signale verschlechtern
• Betriebsmodi für vorgespannte und unvorgespannte Gleichstromkomponenten (z.B. photoelektrischer oder photovoltaischer Modus für Photodioden)
• Nichtlineare Filterung, die sich auf Parasiten im Transistormodell sowie das nichtlineare Verhalten des gesamten Schaltkreises und des Halbleiters bezieht

Ein weiterer wichtiger Punkt bei diesem System, zusätzlich zur Nichtlinearität in Ihren Schaltungen, ist die Gleichrichtung und Gleichstromvorspannung. In gängigen Kollektor-/Emitterverstärkerschaltungen benötigen Sie oft eine gewisse Gleichstromvorspannung auf einem zeitlich veränderlichen Signal, um den Strom im Transistor vollständig zu modulieren, und es ist nützlich, die minimale Gleichstromvorspannung zu finden, die benötigt wird, um sicherzustellen, dass eine saubere Wellenform an die Last weitergegeben wird. Wir werden dies untersuchen und zeigen, wie man diese Simulationen allgemein in diesem Artikel einrichtet.

Einsteigen in eine Frequenzmodulations-Simulation

In einem vorherigen Beitrag haben wir uns die Lastlinienanalyse für eine Schaltung mit einem NPN-Transistor angesehen. Basierend auf den Ergebnissen des Gleichstrom-Durchlaufs können wir erkennen, wann der Kollektorstrom zu sättigen beginnt, da die Kollektor-Emitter-Spannung auf höhere Werte angehoben wird. Dies ermöglichte es uns, die Lastlinie für diese Schaltung zu extrahieren und zu sehen, wie sich die Schwellenspannung ändert.

In dieser Simulation werde ich Ihnen zeigen, wie Sie eine sinusförmige FM-Quelle in Ihre Simulationen einbringen und untersuchen können, wann Clipping auftritt. In dieser Frequenzmodulations-Simulation können wir dann die Fourier-Komponenten untersuchen und bestimmen, wann neue Harmonische erzeugt werden. Wir können dann die Simulation durch Ändern der Gleichspannungsvorspannung modifizieren, um zu sehen, wie das FM-Signal clippt und den Bereich der Eingabewerte identifizieren, der zu linearem Verhalten über die relevanten Frequenzbänder führt. Dies ist ein wichtiger Aspekt des RF-Signal-Kettendesigns.

Ich habe das Simulationsschema aus meinem vorherigen Beitrag wiederverwendet, mit der Ausnahme, dass ich die Gleichstromquelle, die von der Basis gesehen wurde, durch eine frequenzmodulierte Quelle ersetzt habe. Auf diese Simulationsquelle (benannt VSFFM) können Sie aus der Bibliothek Simulation Generic Components.IntLib im Components-Panel zugreifen. In diesem Schema habe ich einen Widerstand von V_CC zur Transistorbasis hinzugefügt, um etwas Gleichspannungsversatz zu V_FM anzuwenden. Mit diesem Schema können wir den Wert von R_B anpassen, um zu sehen, wann wir genügend DV-Versatz zu V_FM angewendet haben, um sicherzustellen, dass wir ein sauberes FM-Signal an R_LOAD weitergeben.

In diesem Schaltplan besteht die grundlegende Idee darin, die FM-Welle zu nutzen, um den Strom im Transistor zu modulieren. Hier habe ich eine gemeinsame Kollektorschaltung mit R_E als strombegrenzendem Widerstand verwendet. Sie könnten jedoch auch eine gemeinsame Kollektorschaltung verwenden (V_FM an der Basis) und die Ausgabe über R_E messen. Unser Ziel ist es, den Basisstrom, der von V_CC geliefert wird, zu bestimmen, der den modulierten Laststrom in den linearen Bereich bringt. Beachten Sie, dass dieser zusätzliche Strom Sie im Grunde die Lastlinie hinauf und in den aktiven Bereich bewegt, solange V_CC groß genug ist. Wenn jedoch V_FM zu groß wird, könnten Sie wieder im Sättigungsbereich landen. Mit V_CC, das auf Logikpegeln arbeitet, können wir vernünftigerweise erwarten, dass dies eine saubere FM-Welle an der Last ergibt, solange wir genügend Gleichspannungsversatz anwenden.

FM-Signalparameter

Hier habe ich die Trägerfrequenz auf 100 MHz, den Modulationsindex auf 5 und die Basisbandfrequenz auf 10 MHz eingestellt. Der Wechselstrombereich wurde zunächst auf +/- 1 V ohne Gleichspannungsversatz eingestellt. In diesem Schaltkreis können Sie Ihre Lastlinienergebnisse verwenden, um den geeigneten Bereich von Wechselstromwerten zu sehen, der an die Basis für eine gegebene Kollektor-Emitter-Spannung angelegt werden sollte. Wenn Sie sich die Lastlinienergebnisse ansehen, können Sie den Bereich der Kollektor-Emitter-Spannungswerte finden, die einen linearen Ausgang erzeugen; wir möchten quantifizieren, ob dieser Eingangsbereich für diesen Schaltkreis geeignet ist. Das Eigenschaften-Dialogfeld für die generische Simulationsquelle in Altium Designer zeigt diese Parameter und eine Wellenform schön an.

Parameter der Transientenanalyse

Hier möchten wir eine transiente Analyse durchführen, da diese das Verhalten des Systems im Zeitbereich zeigen wird. Die Einrichtung für die transiente Analyse kann im Simulations-Dashboard gesehen werden. Ich werde den Kollektorstrom, die Kollektor-Emitter-Spannung und die Leistung, die vom Lastwiderstand (R_LOAD) gesehen wird, messen. Gehen Sie einfach zum Menü „Simulieren“ und klicken Sie auf Simulationseinstellungen bearbeiten, um die Parametervariation und die Einstellungen für die transiente Analyse zu finden. In der Einrichtung der transienten Analyse (unten gezeigt) habe ich „Standardzyklen angezeigt“ auf 10 gesetzt. Dies wurde eingestellt, weil das Verhältnis der Trägerfrequenz zur Signalfrequenz 10 ist, sodass ein vollständiger Modulationszyklus im Ausgang zu sehen sein wird. Wenn Sie diese Zahl niedriger einstellen, werden Sie keine Ergebnisse für einen ganzen Modulationszyklus sehen können.

R_B Sweep-Parameter

Da wir sicherstellen möchten, dass wir ein sauberes Signal an R_LOAD weitergeben, müssen wir den Wert von R_B so anpassen, dass wir genügend Gleichspannungsversatz haben, um ein sauberes Signal zu erzeugen, wie es über R_LOAD gemessen wird. Um dies zu tun, klicken Sie auf die Option Einstellungen im Simulations-Dashboard. Dadurch wird das Fenster für erweiterte Analyseoptionen geöffnet. Der Hauptpunkt, auf den ich mich hier konzentrieren möchte, sind die Sweep-Optionen. Ich habe Dekaden-Einstellungen angewendet, da wir sicherstellen möchten, dass wir schnell über einen großen Bereich von Werten für R_B scannen können. Sobald Sie einen ungefähren Wert für R_B erreicht haben, können Sie den Bereich eingrenzen, um den Wert von R_B feinabzustimmen und die besten Ergebnisse zu erzielen.

Ergebnisse der Frequenzmodulations-Simulation

Um die Ergebnisse zu erhalten, klicken Sie auf Ausführen im Simulations-Dashboard oder drücken Sie F9 auf Ihrer Tastatur. Solange Sie Modelle für alle Ihre Komponenten in Ihrem Schaltplan definiert haben und keine Fehler in der generierten Netzliste vorliegen, wird eine Reihe von Diagrammen auf dem Bildschirm erscheinen. Im Bild unten habe ich eine Reihe von Spannungs- und Stromkurven für die Werte von R_B gezeigt, die im Parameter-Sweep verwendet wurden.

Die Ergebnisse sind interessant. Wenn wir maximale Leistung an die Last liefern wollen, sollten wir R_B auf über 100 Ohm, aber weniger als etwa 316 Ohm einstellen. Dies liegt daran, dass wir bei 316 Ohm einige Clipping-Effekte sehen, daher sollten wir den Wert von R_B niedriger einstellen, um sicherzustellen, dass wir die gleiche hohe AC- und DC-Leistung beibehalten, während wir das Clipping eliminieren. Dies können Sie überprüfen, indem Sie das Produkt für jedes Wellenpaar in den obigen Grafiken berechnen. Beachten Sie, dass, wenn wir den DC-Wert von V_CC ändern würden, wir einen anderen erforderlichen Wert für R_B benötigen würden, um die saubere Modulation zu erzeugen, die wir bei R_LOAD wollen.

Vertauschen von V_FM und V_CC

Die alternative Form des oben gezeigten Schaltplans platziert V_FM an der Stelle von V_CC. Mit anderen Worten, die Basis-Spannung wäre einfach ein Schalter, der ein FM-Signal durch den Transistor passieren lässt. Wenn wir diesen Schalter umlegen, werden wir sehen können, warum dies nur nützlich ist, wenn man auch eine Basis-Spannung und einen hohen DC-Offset zum FM-Signal anwendet. Diese Art von Schaltung würde normalerweise nicht als Verstärker für einen Empfänger verwendet. Stattdessen kann dies mit der Basis-Spannung verwendet werden, die wie ein Schalter wirkt, der dann einen Hochleistungsimpuls an eine Lastkomponente liefert.

Basierend auf den vorherigen Ergebnissen habe ich den Wechselspannungsbereich auf +/- 0,25 V mit einem festen Gleichspannungs-Offset eingestellt. Im Parameter-Sweep-Fenster habe ich den primären Sweep-Parameter auf die Basis-Spannung gesetzt. Ich habe mich entschieden, die Basis-Spannung von 1 bis 7 V in Schritten von 2 V zu variieren, damit Sie sehen können, wie dies die Ausgabe beeinflusst. Dies wird es mir ermöglichen, den Laststrom und die Leistungsklips zu sehen und zu wissen, wann wir einen sauberen Puls sehen können. Meine Simulation erzeugt eine Reihe von sechs Plots, aber ich möchte mich auf die drei in dem unten gezeigten Bild konzentrieren.

Das obere Diagramm zeigt den Kollektorstrom bei einer Basis-Spannung von 7 V. Die mittlere Reihe von Wellenformen zeigt den Kollektorstrom, während die Basis-Spannung von 1 bis 7 V variiert wird. Es sollte offensichtlich sein, dass der Kollektorstrom bei niedrigen Basis-Spannungswerten stark begrenzt wird. Dies ist auch in der unteren Wellenform zu sehen, die die Leistung am Lastwiderstand zeigt. Beachten Sie, dass, wenn Sie den Arbeitspunkt in Ihrer FM-Quelle auf 0 V setzen, Sie eine starke Begrenzung haben werden, da Sie versuchen werden, den Transistor in umgekehrter Richtung zu betreiben, daher ist der Gleichspannungs-Arbeitspunkt erforderlich, wenn Sie mit diesem Transistor arbeiten.

Erstellen eines FFT

Um ein Diagramm für die schnelle Fourier-Transformation (FFT) zu erstellen, wählen Sie einfach eine Wellenform in den Ergebnissen der transienten Analyse aus, gehen Sie zum Diagramm-Menü und klicken Sie auf FFT-Diagramm erstellen. Die Fourier-Spektren unten zeigen die Frequenzkomponenten im Laststrom (oberes Diagramm) und die Leistung im Widerstand (unteres Diagramm). Diese Diagramme wurden aus den Ergebnissen der Parametersuche gezeichnet, obwohl Sie auch Diagramme mit einer spezifischen Basisspannung erstellen könnten (dies können Sie direkt im Schaltplan einstellen). Wir können höherfrequente Inhalte im Spektrum sehen (bis zur 7. Ordnung), obwohl es aufgrund des Clippings in den Ergebnissen der transienten Analyse zu einigen harmonischen Verzerrungen kommt.

Mehr machen mit Frequenzmodulations-Simulationen

Wenn Sie möchten, können Sie diesen Diagrammen eine Welle in einem neuen Graphen für die FM-Quelle hinzufügen und eine FFT für diese Quelle durchführen. Aus unseren Ergebnissen sehen wir, dass eine Basisspannung von 7 V nahezu ideal für das Signal ist, mit dem wir arbeiten, wobei die FM-Quelle eine Gleichspannungs-Vorspannung von 0,25 V und eine Amplitude von 0,25 V um diesen Vorspannungspunkt hat. Um das Signal zu bereinigen, sollte die Amplitude des FM-Signals verringert oder die Basisspannung erhöht werden.

Sie könnten auch die Simulations-/FFT-Daten in eine Excel-Datei exportieren, was Ihnen ermöglicht, das Niveau der Verzerrung zu berechnen, das an der Last gesehen wird. Da wir es mit Sweep-Ergebnissen zu tun haben, könnten Sie diese harmonischen Verzerrungsberechnungen für alle oben gezeigten FFT-Spektren anwenden, was Ihnen eine Kurve liefert, die die harmonische Verzerrung als Funktion der Basisspannung zeigt.

Die einheitliche Umgebung in Altium Designer ermöglicht es Ihnen, Ihre Schaltplandaten zu nehmen und eine Frequenzmodulationssimulation oder jede andere Analyse, die Sie möchten, durchzuführen. Dies ist viel besser, als in einem separaten Programm zu arbeiten, um diese wichtigen Analysen durchzuführen. Altium Designer gibt Ihnen auch Zugang zu einem kompletten Satz von Post-Layout-Simulationstools für die Signalintegritätsanalyse.

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