Cómo crear una simulación de amplificador con Altium Designer

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

Layout for length matching for high-speed signals

El emparejamiento de longitud para señales de alta velocidad se basa en la sincronización…

A todos nos gustaría alcanzar la etapa de ensayos y medición más rápido. Cuando estás en esta etapa, significa que por fin has pasado la fase de diseño y estás listo para probar los prototipos. También puede significar que has reducido los componentes que necesitas para tu sistema y la funcionalidad prevista para tu sistema. El ensayo y medición de tus circuitos son muy importantes, aunque no significarán nada si no cuentas con una base de comparación.

El papel de las simulaciones

Tus herramientas de simulación, tanto si las utilizas para los amplificadores como para cualquier otro circuito, son fundamentales a la hora de ayudarte a validar tus circuitos con anterioridad al diseño de la placa. Muchos fabricantes de componentes se dedican a producir circuitos integrados especializados, SoC y SoM para aplicaciones particulares, pero estos componentes no siempre se ajustan a tus necesidades. Si está ocupado innovando con nuevas funcionalidades para tu próximo sistema, es muy probable que estés construyendo circuitos personalizados a partir de una variedad de circuitos integrados y/o componentes discretos.

En este punto es donde las herramientas de simulación se vuelven útiles para evaluar los diseños. Los resultados de las simulaciones deben tomarse como referencia para las comparaciones una vez que se empiecen a probar los prototipos o se utilice una tabla de evaluación para los componentes especializados. Con los nuevos sistemas de microondas y mmWave, cada vez más comunes, especialmente a medida que las aplicaciones de 5G y de radar se vuelven omnipresentes, más diseñadores tendrán que empezar a diseñar sistemas especializados en los amplificadores de RF. Y un elemento concreto que pregunta en este tipo de sistemas es la integridad de la señal, por lo que las simulaciones para evaluar el rendimiento son muy útiles para los diseñadores.

Gracias a las extensas librerías de componentes y a las herramientas de análisis integradas de Altium Designer®, podrás crear una simulación precisa del amplificador y llevar a cabo diversos análisis. Y es que las herramientas de simulación que necesitas ya están incorporadas en el editor esquemático de Altium Designer, por lo que las tienes a mano en todo momento, mientras diseñas tus circuitos.

Simulación de un amplificador con Altium Designer

La creación de una nueva simulación, ya sea para un circuito de amplificación, un bloque de procesamiento de señales u otro circuito, comienza a nivel del esquemático. El primer paso consiste en crear un nuevo esquemático en Altium Designer y localizar las fuentes de simulación que necesitas. Tras crear el esquemático vacío, deberás encontrar los componentes para el amplificador y sus circuitos asociados. Desde el panel de componentes, desplázate hacia abajo hasta la biblioteca Simulation Sources.IntLib, en la que encontrarás varias fuentes de voltaje y corriente controladas para tu circuito.

En el siguiente esquemático de ejemplo, he utilizado algunas resistencias genéricas para crear un bucle de retroalimentación con el amplificador MCP6H01T. Puedes encontrar este amplificador o cualquier otro en el panel de búsqueda de piezas del fabricante (Manufacturer Part Search). También puedes localizar cualquier pasivo que necesites incluir en el circuito, como el condensador cerámico C1 que se muestra a continuación. He añadido algunas etiquetas de red para que todo quede claro, y una sonda de voltaje de un único extremo para las mediciones.

Simple amplifier simulation circuit in Altium Designer

Simulación de un circuito de amplificación simple con un condensador de acoplamiento

Una cosa a tener en cuenta con un esquemático como este es la necesidad de definir el puerto VCC usando una fuente de voltaje, o de lo contrario tu simulación interpretará como indefinido el pin 5. En mi caso, he utilizado el modelo VSRC de la biblioteca Simulation Sources.IntLib. Puedes utilizar cualquiera de los componentes al realizar la búsqueda de piezas del fabricante, incluyendo una variedad de circuitos integrados de amplificadores especializados.

Lo que puedes hacer con una simulación de amplificador en Altium Designer

El módulo MixedSim y otras herramientas de Altium Designer son ideales para diversos análisis del diseño de circuitos y amplificadores. Algunos de los ejemplos destacados dentro del diseño de amplificadores incluyen:

  • Barridos de parámetros. Es una excelente manera de barrer algunos parámetros de la fuente y calcular cómo responde el circuito. Algunos ejemplos incluyen la iteración a través de varios valores de los pasivos en el bucle de retroalimentación u otros componentes de la corriente descendente.
  • Señales de frecuencia modulada. Altium Designer te permite utilizar modelos de simulación de amplificador para examinar cómo la no linealidad del amplificador contribuye a la intermodulación con la señal de frecuencia modulada. Para incluir esta fuente de frecuencia modulada, usa el modelo asociado en la biblioteca Simulation Sources.IntLib.
  • Análisis de polo cero y análisis de la función de transferencia. Estos dos análisis asociados son importantes para examinar la transición al estado estacionario cuando el amplificador se maneja con impulsos. El análisis polo-cero proporciona una forma sencilla de examinar cómo el amplificador y el bucle de retroalimentación se estabilizan. Esto es importante cuando se incluye un condensador de acoplamiento en algún lugar del circuito para la filtración.

Si habilitas el análisis de Fourier en tu perfil MixedSim Transient Analysis, el simulador calculará automáticamente una serie Fourier para las señales de entrada y salida de la simulación. Los resultados de su análisis de transitorios se encuentran en el campo del tiempo, pero es útil observar la salida en el campo de la frecuencia, especialmente si se diseña un amplificador personalizado a partir de componentes discretos. Si estás ejecutando un amplificador en una cadena de señales analógicas cerca o en saturación, el comportamiento no lineal del amplificador causará la generación de armónicos, que aparecerán como picos discretos en la salida del espectro de frecuencias. En el gráfico siguiente (he hecho un zoom para mayor claridad) se muestra este comportamiento, en el que se ha utilizado una onda sinusoidal de 200 kHz para llevar el amplificador hasta la saturación.

Harmonic generation in an amplifier simulation in Altium Designer

Generación de armónicos en una simulación de amplificador

Las potentes herramientas de simulación esquemática que brinda Altium Designer son ideales para llevar a cabo simulaciones de amplificadores y muchos otros análisis como paso previo a la creación del diseño de una placa de circuito impreso, lo que te proporciona una referencia útil para comparar los resultados de tus pruebas y te ayuda a anticipar posibles problemas de integridad de la señal de la placa. Altium Designer también te ofrece un completo conjunto de herramientas para gestionar tu cadena de suministro y preparar las entregas para el fabricante.

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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