Simulación de Modulación de Frecuencia en Altium Designer

Al trabajar con señales analógicas, es necesario asegurarse de que su dispositivo esté operando de manera lineal para evitar problemas como la distorsión armónica durante el funcionamiento. Las interacciones no lineales en dispositivos analógicos conducen a distorsión que corrompe una señal analógica limpia. Puede que no sea obvio cuando un circuito analógico se satura solo mirando su esquemático o hojas de datos. En lugar de rastrear manualmente su cadena de señales, puede utilizar herramientas de simulación para obtener una visión sobre el comportamiento de su dispositivo. Algunas simulaciones importantes con señales sinusoidales, como una simulación de modulación de frecuencia, se pueden realizar fácilmente con las características de simulación previa al diseño en Altium Designer^®.

En esta publicación, continuaré desde una simulación anterior y traeré una fuente de FM a un circuito con un transistor. Aquí, la idea es ver qué rango de valores de entrada puedo usar con mi fuente analógica para asegurar que el dispositivo opere en el rango lineal, es decir, cuando mi circuito no lineal deja de comportarse de manera lineal.

Esto es bastante importante en el diseño de amplificadores y al diseñar circuitos integrados analógicos basados en transistores. Con respecto al diseño general de circuitos no lineales y amplificadores, necesitamos saber cosas como:

• Nivel de saturación para circuitos como comparadores, disparadores Schmitt o amplificadores operacionales
• Punto de compresión, que determina el nivel de potencia de entrada donde los productos de intermodulación se vuelven prominentes y degradan tus señales
• Modos de operación para componentes de CC sesgados y no sesgados (por ejemplo, modo fotoconductivo o fotovoltaico para fotodiodos)
• Filtrado no lineal, que se relaciona con los parásitos en el modelo de transistor así como el comportamiento no lineal del circuito en general y el semiconductor

El otro punto importante con este sistema, además de la no linealidad en tus circuitos, es la rectificación y el sesgo de CC. En los circuitos amplificadores de colector/emisor comunes, a menudo necesitarás algún sesgo de CC en una señal que varía en el tiempo para modular completamente la corriente en el transistor, y es útil encontrar el sesgo de CC mínimo necesario para asegurar que una forma de onda limpia se pase a la carga. Investigaremos esto y mostraremos cómo configurar estas simulaciones generalmente en este artículo.

Comenzando con una Simulación de Modulación de Frecuencia

En una publicación anterior, examinamos el análisis de la línea de carga para un circuito con un transistor NPN. Basándonos en los resultados del barrido DC, podemos ver cuándo comienza a saturarse la corriente del colector a medida que el voltaje colector-emisor se incrementa a niveles más altos. Esto nos permitió extraer la línea de carga para este circuito y ver cómo cambia el voltaje umbral.

En esta simulación, te mostraré cómo introducir una fuente FM sinusoidal en tus simulaciones y examinar cuándo ocurre el recorte. En esta simulación de modulación de frecuencia, podemos entonces examinar los componentes de Fourier y determinar cuándo se generan nuevos armónicos. Luego podemos modificar la simulación cambiando el sesgo DC para ver cómo se recorta la señal FM e identificar el rango de valores de entrada que conducen a un comportamiento lineal a lo largo de las bandas de frecuencia relevantes. Este es un aspecto importante del diseño de la cadena de señal RF.

He reutilizado el esquemático de simulación de mi publicación anterior, con la excepción de que he reemplazado la fuente de CC vista por la base con una fuente modulada en frecuencia. Puedes acceder a esta fuente de simulación (denominada VSFFM) desde la biblioteca Simulation Generic Components.IntLib en el panel de Componentes. En este esquemático, he añadido una resistencia de V_CC a la base del transistor con el fin de aplicar algún desplazamiento de CC a V_FM. Con este esquemático, podemos ajustar el valor de R_B para ver cuándo hemos aplicado suficiente desplazamiento de DV a V_FM para asegurarnos de pasar una señal FM limpia a R_LOAD.

En este esquemático, la idea básica es utilizar la onda FM para modular la corriente en el transistor. Aquí, he utilizado una configuración de colector común con R_E como una resistencia limitadora de corriente. Sin embargo, también podrías usar una configuración de colector común (V_FM en la base) y medir la salida a través de R_E. Nuestro objetivo es determinar la corriente de base suministrada por V_CC que colocará la corriente de carga modulada en el rango lineal. Nota que esta corriente adicional básicamente te mueve hacia arriba en la línea de carga y hacia la región activa siempre y cuando V_CC sea lo suficientemente grande. Sin embargo, si V_FM se hace demasiado grande, podrías terminar de nuevo en la región de saturación. Con V_CC operando a niveles lógicos, podemos esperar razonablemente que esto proporcione una onda FM limpia en la carga siempre y cuando apliquemos suficiente desplazamiento de CC.

Parámetros de la Señal FM

Aquí, he configurado la frecuencia portadora en 100 MHz, el índice de modulación en 5 y la frecuencia de banda base en 10 MHz. El rango de CA se ha establecido inicialmente en +/- 1 V sin desplazamiento de CC. En este circuito, puedes usar los resultados de tu línea de carga para ver el rango apropiado de valores de CA que deberían aplicarse a la base para un voltaje colector-emisor dado. Si observas los resultados de la línea de carga, podrás encontrar el rango de valores de voltaje colector-emisor que producen una salida lineal; nos gustaría cuantificar si este rango de entrada es apropiado para este circuito. El cuadro de diálogo de Propiedades para la fuente de simulación genérica en Altium Designer muestra de manera clara estos parámetros y una forma de onda.

Parámetros de Análisis Transitorio

Aquí queremos realizar un análisis transitorio ya que esto mostrará el comportamiento del sistema en el dominio del tiempo. La configuración para el análisis transitorio se puede ver en el Tablero de Simulación. Estaré midiendo la corriente del colector, el voltaje colector-emisor y la potencia vista por la resistencia de carga (R_LOAD). Simplemente ve al menú “Simular” y haz clic en Editar Configuración de Simulación para localizar el barrido de parámetros y los ajustes de análisis transitorio. En la configuración del análisis transitorio (mostrado abajo), he establecido “Ciclos Predeterminados Mostrados” a 10. Esto se estableció porque la relación de la frecuencia portadora a la frecuencia de señal es 10, así que un ciclo de modulación completo se verá en la salida. Si estableces este número más bajo, no podrás ver resultados para un ciclo de modulación completo.

Parámetros de Barrido de R_B

Dado que queremos asegurarnos de pasar una señal limpia a R_LOAD, necesitamos ajustar el valor de R_B para que tengamos suficiente desplazamiento de CC para producir una señal limpia medida a través de R_LOAD. Para hacer esto, haz clic en la opción de Configuración en el Panel de Simulación. Esto abrirá la ventana de Opciones de Análisis Avanzado. El punto principal en el que quiero centrarme aquí son las opciones de barrido. He aplicado configuraciones por décadas ya que nos gustaría asegurarnos de poder escanear rápidamente sobre un amplio rango de valores para R_B. Una vez que llegues a un valor aproximado para R_B, puedes reducir el rango para ajustar finamente el valor de R_B y obtener los mejores resultados.

Resultados de la Simulación de Modulación de Frecuencia

Para obtener los resultados, haz clic en Ejecutar en el Panel de Simulación, o presiona F9 en tu teclado. Siempre que hayas definido modelos para todos tus componentes en tu esquemático y no haya errores en la lista de conexiones generada, verás aparecer un conjunto de gráficos en la pantalla. En la imagen a continuación, he mostrado un conjunto de curvas de voltaje y corriente para los valores de R_B utilizados en el barrido de parámetros.

Los resultados son interesantes. Si queremos entregar la máxima potencia a la carga, deberíamos ajustar R_B a más de 100 Ohmios pero menos de unos 316 Ohmios. Esto se debe a que vemos cierto recorte a 316 Ohmios, por lo que deberíamos ajustar el valor de R_B a un nivel más bajo para asegurarnos de mantener la misma alta potencia AC y DC mientras eliminamos el recorte. Puedes verificar esto calculando el producto para cada par de ondas en los gráficos anteriores. Cabe destacar que, si cambiáramos el valor de DC de V_CC, tendríamos un valor requerido diferente para R_B con el fin de producir la modulación limpia que queremos en R_LOAD.

Intercambiando V_FM y V_CC

La forma alternativa del esquemático mostrado arriba coloca V_FM en la ubicación de V_CC. En otras palabras, el voltaje base simplemente sería un interruptor que permite que una señal FM pase a través del transistor. Si hacemos este cambio, podremos ver por qué esto solo es útil cuando también aplicas voltaje base y un alto desplazamiento de DC a la señal FM. Este tipo de circuito normalmente no se usaría como un amplificador para un receptor. En cambio, esto se puede usar con el voltaje base actuando como un interruptor, lo que luego permite que un pulso de alta potencia se entregue a un componente de carga.

Basado en los resultados anteriores, he configurado el rango de CA a +/- 0,25 V con cierto desplazamiento de CC fijo. En la ventana de barrido de parámetros, he configurado el parámetro de barrido primario al voltaje de base. He elegido variar el voltaje de base de 1 a 7 V en incrementos de 2 V para que puedas ver cómo esto afectará la salida. Esto me permitirá ver la corriente de carga y los recortes de potencia y saber cuándo podemos ver un pulso limpio. Mi simulación produce un conjunto de seis gráficos, pero quiero centrarme en los tres mostrados en la imagen a continuación.

El gráfico superior muestra la corriente del colector a un voltaje de base de 7 V. El conjunto medio de formas de onda muestra la corriente del colector a medida que el voltaje de base se varía de 1 a 7 V. Debería ser obvio que la corriente del colector se recorta fuertemente en valores bajos de voltaje de base. Esto también se ve en la forma de onda inferior, que muestra la potencia en la resistencia de carga. Nota que, si configuras el punto de polarización en tu fuente de FM a 0 V, tendrás un recorte severo ya que estarás intentando conducir el transistor en reversa, por lo tanto, el punto de polarización de CC es necesario cuando se trabaja con este transistor.

Creando una FFT

Para crear un gráfico de transformada rápida de Fourier (FFT), simplemente seleccione una forma de onda en los resultados del análisis transitorio, vaya al menú de Gráfico y haga clic en Crear gráfico FFT. Los espectros de Fourier a continuación muestran los componentes de frecuencia en la corriente de carga (gráfico superior) y la potencia en la resistencia (gráfico inferior). Estos gráficos se trazaron a partir de los resultados del barrido de parámetros, aunque también podría crear gráficos con el voltaje base establecido en valores específicos (puede establecer esto directamente en el esquemático). Podemos ver contenido de frecuencia de orden superior en los espectros (hasta el 7º orden), aunque hay alguna distorsión armónica debido al recorte en los resultados del análisis transitorio.

Haciendo más con simulaciones de modulación de frecuencia

Si lo desea, puede agregar una onda a estos gráficos en un nuevo gráfico para la fuente de FM, y realizar una FFT para esta fuente. A partir de nuestros resultados, vemos que usar un voltaje base de 7 V es casi ideal para la señal con la que estamos trabajando, donde la fuente de FM tiene un sesgo de CC de 0.25 V y una amplitud de 0.25 V sobre este punto de sesgo. Para limpiar la señal, la amplitud de la señal de FM debería disminuirse, o el voltaje base debería aumentarse.

También podría exportar los datos de simulación/FFT a un archivo de Excel, lo que le permitirá calcular el nivel de distorsión observado en la carga. Dado que estamos tratando con resultados de barrido, podría aplicar estos cálculos de distorsión armónica para todos los espectros FFT mostrados arriba, lo que le dará una curva que muestra la distorsión armónica como función del voltaje base.

El entorno unificado en Altium Designer le permite tomar sus datos esquemáticos y realizar una simulación de modulación de frecuencia o cualquier otro análisis que desee. Esto es mucho mejor que trabajar en un programa separado para ejecutar estos análisis importantes. Altium Designer también le da acceso a un conjunto completo de herramientas de simulación post-diseño para análisis de integridad de señal.

Ahora puede descargar una prueba gratuita de Altium Designer y aprender más sobre las mejores herramientas de diseño, simulación y planificación de producción de la industria. Hable hoy con un experto de Altium para saber más.