Erstellen einer Verstärkersimulation in Altium Designer

Zachariah Peterson
|  Created: November 7, 2019  |  Updated: March 10, 2021

Layout for length matching for high-speed signals

Bei der Längenanpassung für High-Speed-Signale dreht sich alles um die Synchronisation...

Wir würden alle gerne die Test- und Messphase schneller erreichen. Dies bedeutet, dass Sie die Designphase hinter sich gebracht haben und bereit sind, die Prototypen zu testen. Es könnte auch bedeuten, dass Sie sich auf die Bauteile beschränkt haben, die Sie für Ihr System benötigen, und die empfohlene Funktionalität für Ihr System bewertet haben. Tests und Messungen der Schaltungen sind sehr wichtig; sie bedeuten jedoch nichts, wenn Sie keine Vergleichsbasis haben.

Die Rolle der Simuationen

Simulationswerkzeuge, unabhängig davon, ob sie für Verstärker oder andere Schaltungen verwendet werden, sind wichtig für die Validierung der Schaltungen, bevor Sie das Layout Ihrer Leiterplatte erstellen. Viele Bauteilhersteller produzieren spezialisierte ICs, SoCs und SoMs für bestimmte Anwendungen. Diese Bauteile sind jedoch nicht immer an Ihre Anforderungen anpassbar. Wenn Sie damit beschäftigt sind, neue Funktionen für Ihr nächstes System zu entwickeln, dann erstellen Sie wahrscheinlich kundenspezifische Schaltungen aus einer Vielzahl von ICs und/oder diskreten Bauteilen.

Hier sind Simulationswerkzeuge für die Bewertung von Designs sinnvoll. Die Ergebnisse der Simulationen sollten als Referenz für Vergleiche verwendet werden, nachdem Sie mit dem Testen von Prototypen oder der Verwendung einer Evaluierungsleiterplatte für spezielle Bauteile begonnen haben. Aufgrund der neueren Mikrowellen- und mmWave-Systeme, die immer häufiger eingesetzt werden, insbesondere wenn 5G- und Radaranwendungen allgegenwärtig werden, müssen mehr Designer spezielle Systeme rund um HF-Verstärker entwickeln. Die Signalintegrität ist ein besonderes Problem in diesen Systemen, und Designer sollten ihre Simulationen für die Leistungsbewertung verwenden.

Dank der umfangreichen Bauteilbibliotheken und der integrierten Analysetools in Altium Designer® können Sie eine genaue Verstärkersimulation erstellen und eine Reihe von Analysen durchführen. Die Simulationswerkzeuge, die Sie benötigen, sind in den Schaltplan-Editor von Altium Designer integriert und können während des Designs Ihrer Schaltungen einfach abgerufen werden.

Erstellen einer Verstärkersimulation in Altium Designer

Das Erstellen einer neuen Simulation, egal ob für eine Verstärkerschaltung, einen Signalverarbeitungsblock oder eine andere Schaltung, beginnt auf der Schaltplanstufe. Der erste Schritt besteht darin, einen neuen Schaltplan in Altium Designer zu erstellen und nach den erforderlichen Simulationsquellen zu suchen. Nach der Erstellung eines leeren Schaltplans müssen Sie die Bauteile für Ihren Verstärker und die zugehörigen Schaltungen finden. Wenn Sie zum Components Panel navigieren, können Sie nach unten zu der Simulation Sources.IntLib-Bibliothek scrollen, wo Sie eine Reihe verschiedener spannungs-/stromgesteuerten Quellen für Ihre Schaltung finden.

Im folgenden Beispiel eines Schaltplans habe ich einige generische Widerstände verwendet, um eine Rückkopplungsschleife mit dem MCP6H01T-Verstärker zu erstellen. Sie können diesen Verstärker oder einen beliebigen anderen Verstärker im Manufacturer Part Seach Panel finden. Hier finden Sie auch alle passiven Bauteile, die Sie in die Schaltung aufnehmen müssen, einschließlich des unten aufgeführten Keramikkondensators C1. Ich habe einige Netzbeschriftungen hinzugefügt, um alles klar anzuzeigen, sowie eine Spannungssonde mit einem Ende für Messungen.

Simple amplifier simulation circuit in Altium Designer

Einfache Verstärkersimulationsschaltung mit einem Koppelkondensator

Etwas, das Sie bei diesem Schaltplan beachten müssen, ist die Notwendigkeit, den VCC-Port mithilfe einer Spannungsquelle zu definieren. Andernfalls interpretiert die Simulation Pin 5 als undefiniert. Ich habe dies unter Verwendung des VSRC-Modells aus der Simulation Sources.IntLib-Bibliothek getan. Sie können jedes beliebige Bauteil aus der Manufacturer Part Search verwenden, einschließlich einer Vielzahl von spezialisierten Verstärker-ICs.

Was Sie mit einer Verstärkersimulation in Altium Designer tun können

Das MixedSim-Modul und andere Werkzeuge in Altium Designer sind ideal für eine Reihe von Analysen im Schaltungs- und Verstärkerdesign. Einige wichtige Beispiele im Verstärkerdesign sind:

  • Parameter-Sweeps. Dies ist eine ausgezeichnete Methode, einige Parameter in der Quelle zu durchlaufen und zu berechnen, wie die Schaltung darauf reagiert. Einige Beispiele sind die Iteration durch verschiedene Werte von passiven Elementen in der Rückkopplungsschleife oder anderen nachgeschalteten Komponenten.
  • Frequenzmodulierte Signale. Sie können die Verstärkersimulationsmodelle in Altium Designer verwenden, um zu untersuchen, wie die Nichtlinearität des Verstärkers zur   Intermodulation  mit frequenzmoduliertem Signal beiträgt. Sie können diese frequenzmodulierte Quelle mithilfe des zugehörigen Modells in der Simulation Sources.IntLib-Bibliothek einbinden.
  • Pol-Nullstellen-Analyse und Übertragungsfunktionsanalyse. Diese beiden zugehörigen Analysen sind wichtig, um den Übergang in den eingeschwungenen Zustand zu untersuchen, wenn der Verstärker mit Impulsen gesteuert wird.   Die Pol-Nullstellen-Analyse  bietet eine einfache Möglichkeit zu untersuchen, wie sich Verstärker und Rückkopplungsschleife in den eingeschwungenen Zustand einpendeln. Dies ist wichtig, wenn Sie irgendwo in der Schaltung einen Koppelkondensator zur Filterung einfügen.

Wenn Sie die Fourier-Analyse in der MixedSim-Profil-Transientenanalyse aktivieren, berechnet der Simulator automatisch eine Fourier-Reihe für die Eingangs- und Ausgangssignale in Ihrer Simulation. Die Ergebnisse der Transientenanalyse liegen im Zeitbereich, aber es ist hilfreich, den Ausgang im Frequenzbereich zu betrachten, insbesondere wenn Sie einen kundenspezifischen Verstärker aus diskreten Bauteilen entwerfen. Wenn Sie einen Verstärker in einer   analogen Signalkette  nahe oder in der Sättigung betreiben, führt das nichtlineare Verhalten des Verstärkers zur Erzeugung von Harmonischen, die als diskrete Spitzen im Ausgang des Frequenzspektrums erscheinen. Dies ist in der folgenden Grafik zu sehen (der Übersichtlichkeit halber vergrößert), in der eine 200-kHz-Sinuswelle verwendet wurde, um den Verstärker tief in die Sättigung zu treiben.

Harmonic generation in an amplifier simulation in Altium Designer

Erzeugung von Harmonischen in einer Verstärkersimulation

Die leistungsstarken Schaltplan-Simulationswerkzeuge in   Altium Designer  sind ideal, um Verstärkersimulationen und viele andere Analysen einzusetzen, bevor Sie das PCB-Layout erstellen. So erhalten Sie eine nützliche Referenz für den Vergleich Ihrer Testergebnisse und können potenzielle Signalintegritätsprobleme auf Ihrer Leiterplatte vorhersehen. Altium Designer bietet Ihnen außerdem einen kompletten Satz an Werkzeugen für die Verwaltung Ihrer Lieferkette und die Vorbereitung von Ergebnissen für Ihren Hersteller.

Jetzt können Sie eine kostenlose Testversion von Altium Designer herunterladen und mehr über die branchenweit besten Werkzeuge für das Layout, die Simulation und die Produktionsplanung erfahren. Sprechen Sie noch heute mit einem Experten von Altium, um weitere Informationen zu erhalten.

About Author

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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