Simulation de la modulation de fréquence dans Altium Designer

Lorsque vous travaillez avec des signaux analogiques, vous devez vous assurer que votre appareil fonctionne de manière linéaire afin d'éviter des problèmes tels que la distorsion harmonique pendant le fonctionnement. Les interactions non linéaires dans les dispositifs analogiques entraînent une distorsion qui corrompt un signal analogique propre. Il peut ne pas être évident, juste en regardant votre schéma ou vos fiches techniques, qu'un circuit analogique sature. Au lieu de suivre manuellement votre chaîne de signal, vous pouvez utiliser des outils de simulation pour obtenir un aperçu du comportement de votre appareil. Certaines simulations importantes avec des signaux sinusoïdaux, telles qu'une simulation de modulation de fréquence, peuvent être facilement réalisées avec les fonctionnalités de simulation pré-layout dans Altium Designer^®.

Dans ce post, je vais continuer à partir d'une simulation précédente et intégrer une source FM dans un circuit avec un transistor. Ici, l'idée est de voir quelle gamme de valeurs d'entrée je peux utiliser avec ma source analogique afin de m'assurer que l'appareil fonctionne dans la plage linéaire, c'est-à-dire, lorsque mon circuit non linéaire cesse de se comporter de manière linéaire.

Cela est assez important dans la conception d'amplificateurs et lors de la conception de circuits intégrés analogiques à base de transistors. En ce qui concerne la conception de circuits non linéaires et d'amplificateurs en général, nous devons connaître des éléments tels que :

• Niveau de saturation pour des circuits tels que les comparateurs, les déclencheurs de Schmitt ou les amplificateurs opérationnels
• Point de compression, qui détermine le niveau de puissance d'entrée où les produits d'intermodulation deviennent proéminents et dégradent vos signaux
• Modes de fonctionnement pour les composants DC polarisés et non polarisés (par exemple, mode photoconducteur ou photovoltaïque pour les photodiodes)
• Filtrage non linéaire, qui se rapporte aux parasitiques dans le modèle de transistor ainsi qu'au comportement non linéaire du circuit global et du semi-conducteur

L'autre point important avec ce système, en plus de la non-linéarité dans vos circuits, est la rectification et la polarisation DC. Dans les circuits amplificateurs à collecteur/émetteur commun, vous aurez souvent besoin d'une certaine polarisation DC sur un signal variant dans le temps afin de moduler complètement le courant dans le transistor, et il est utile de trouver la polarisation DC minimale nécessaire pour assurer qu'une forme d'onde propre est transmise à la charge. Nous allons étudier cela et montrer comment configurer ces simulations de manière générale dans cet article.

Commencer avec une simulation de modulation de fréquence

Dans un article précédent, nous avons examiné l'analyse de la ligne de charge pour un circuit avec un transistor NPN. Basé sur les résultats du balayage DC, nous pouvons voir quand le courant de collecteur commence à saturer à mesure que la tension collecteur-émetteur est augmentée à des niveaux supérieurs. Cela nous a permis d'extraire la ligne de charge pour ce circuit, et de voir comment la tension de seuil change.

Dans cette simulation, je vais vous montrer comment intégrer une source FM sinusoïdale dans vos simulations et examiner quand le clipping se produit. Dans cette simulation de modulation de fréquence, nous pouvons alors examiner les composants de Fourier et déterminer quand de nouveaux harmoniques sont générés. Nous pouvons ensuite modifier la simulation en changeant le biais DC pour voir comment le signal FM se clippe et identifier la gamme de valeurs d'entrée qui conduit à un comportement linéaire à travers les bandes de fréquence pertinentes. C'est un aspect important de la conception de la chaîne de signal RF.

J'ai réutilisé le schéma de simulation de mon post précédent, à l'exception que j'ai remplacé la source DC vue par la base par une source modulée en fréquence. Vous pouvez accéder à cette source de simulation (nommée VSFFM) depuis la bibliothèque Simulation Generic Components.IntLib dans le panneau des composants. Dans ce schéma, j'ai ajouté une résistance de V_CC à la base du transistor afin d'appliquer un certain décalage DC à V_FM. Avec ce schéma, nous pouvons ajuster la valeur de R_B pour voir quand nous avons appliqué suffisamment de décalage DV à V_FM pour garantir que nous transmettons un signal FM propre à R_LOAD.

Dans ce schéma, l'idée de base est d'utiliser l'onde FM pour moduler le courant dans le transistor. Ici, j'ai utilisé une configuration à collecteur commun avec R_E comme résistance limitant le courant. Cependant, vous pourriez également utiliser une configuration à collecteur commun (V_FM à la base) et mesurer la sortie à travers R_E. Notre objectif est de déterminer le courant de base fourni par V_CC qui placera le courant de charge modulé dans la plage linéaire. Notez que ce courant supplémentaire vous déplace essentiellement le long de la droite de charge et dans la région active tant que V_CC est suffisamment élevé. Cependant, si V_FM devient trop important, vous pourriez finir par retourner dans la région de saturation. Avec V_CC fonctionnant à des niveaux logiques, nous pouvons raisonnablement nous attendre à ce que cela fournisse une onde FM propre à la charge tant que nous appliquons suffisamment de décalage DC.

Paramètres du signal FM

Ici, j'ai réglé la fréquence porteuse sur 100 MHz, l'indice de modulation sur 5 et la fréquence de base sur 10 MHz. La plage AC a initialement été réglée à +/- 1 V sans décalage DC. Dans ce circuit, vous pouvez utiliser vos résultats de ligne de charge pour voir la plage appropriée de valeurs AC qui devraient être appliquées à la base pour une tension collecteur-émetteur donnée. Si vous regardez les résultats de la ligne de charge, vous pourrez trouver la plage de valeurs de tension collecteur-émetteur qui produisent une sortie linéaire ; nous aimerions quantifier si cette plage d'entrée est appropriée pour ce circuit. La boîte de dialogue Propriétés pour la source de simulation générique dans Altium Designer montre bien ces paramètres et une forme d'onde.

Paramètres d'Analyse Transitoire

Ici, nous voulons effectuer une analyse transitoire car cela montrera le comportement du système dans le domaine temporel. La configuration pour l'analyse transitoire peut être vue dans le Tableau de bord de simulation. Je vais mesurer le courant de collecteur, la tension collecteur-émetteur, et la puissance vue par la résistance de charge (R_LOAD). Il suffit d'aller au menu "Simuler" et de cliquer sur Modifier la configuration de la simulation pour localiser le balayage des paramètres et les réglages de l'analyse transitoire. Dans la configuration de l'analyse transitoire (montrée ci-dessous), j'ai réglé "Cycles par défaut affichés" à 10. Cela a été réglé parce que le rapport de la fréquence porteuse à la fréquence du signal est de 10, donc un cycle de modulation entier sera vu dans la sortie. Si vous réglez ce nombre plus bas, vous ne pourrez pas voir les résultats pour un cycle de modulation entier.

Paramètres de balayage R_B

Puisque nous voulons nous assurer de transmettre un signal propre à R_LOAD, nous devons ajuster la valeur de R_B afin d'avoir suffisamment de décalage continu pour produire un signal propre tel que mesuré à travers R_LOAD. Pour ce faire, cliquez sur l'option Paramètres dans le Tableau de bord de Simulation. Cela ouvrira la fenêtre Options d'Analyse Avancée. Le point principal sur lequel je veux me concentrer ici est les options de balayage. J'ai appliqué des réglages par décennie car nous aimerions nous assurer que nous pouvons rapidement balayer une large gamme de valeurs pour R_B. Une fois que vous arrivez à une valeur approximative pour R_B, vous pouvez réduire la plage pour affiner la valeur de R_B afin d'obtenir les meilleurs résultats.

Résultats de la Simulation de Modulation de Fréquence

Pour obtenir les résultats, cliquez sur Exécuter dans le Tableau de bord de Simulation, ou appuyez sur F9 sur votre clavier. Tant que vous avez défini des modèles pour tous vos composants dans votre schéma et qu'il n'y a pas d'erreurs dans la netlist générée, vous verrez un ensemble de graphiques apparaître à l'écran. Dans l'image ci-dessous, j'ai montré un ensemble de courbes de tension et de courant pour les valeurs de R_B utilisées dans le balayage de paramètres.

Les résultats sont intéressants. Si nous voulons fournir la puissance maximale à la charge, nous devrions régler R_B à plus de 100 Ohms mais moins d'environ 316 Ohms. Cela est dû au fait que nous observons une certaine saturation à 316 Ohms, donc nous devrions régler la valeur de R_B à un niveau inférieur pour garantir que nous conservions la même puissance AC et DC élevée tout en éliminant la saturation. Vous pouvez vérifier cela en calculant le produit pour chaque paire d'ondes dans les graphiques ci-dessus. Notez que, si nous devions changer la valeur DC de V_CC, nous aurions besoin d'une valeur différente pour R_B afin de produire la modulation propre que nous voulons à R_LOAD.

Échange de V_FM et V_CC

La forme alternative du schéma montré ci-dessus place V_FM à l'emplacement de V_CC. En d'autres termes, la tension de base serait simplement un interrupteur qui permet à un signal FM de passer à travers le transistor. Si nous faisons cet échange, nous pourrons voir pourquoi cela n'est utile que lorsque vous appliquez également une tension de base et un décalage DC élevé au signal FM. Ce type de circuit ne serait normalement pas utilisé comme amplificateur pour un récepteur. Au lieu de cela, cela peut être utilisé avec la tension de base agissant comme un interrupteur, ce qui permet alors de délivrer une impulsion de haute puissance à un composant de charge.

Sur la base des résultats précédents, j'ai réglé la plage AC à +/- 0,25 V avec un décalage DC fixe. Dans la fenêtre de balayage des paramètres, j'ai défini le paramètre de balayage principal sur la tension de base. J'ai choisi de faire varier la tension de base de 1 à 7 V par incréments de 2 V afin que vous puissiez voir comment cela affectera la sortie. Cela me permettra de voir le courant de charge et les clips de puissance et de savoir quand nous pouvons voir une impulsion propre. Ma simulation produit un ensemble de six graphiques, mais je veux me concentrer sur les trois montrés dans l'image ci-dessous.

Le graphique supérieur montre le courant de collecteur à une tension de base de 7 V. L'ensemble de formes d'onde du milieu montre le courant de collecteur alors que la tension de base est balayée de 1 à 7 V. Il devrait être évident que le courant de collecteur est fortement limité aux faibles valeurs de tension de base. Cela est également visible dans la forme d'onde du bas, qui montre la puissance au niveau de la résistance de charge. Notez que, si vous réglez le point de polarisation dans votre source FM à 0 V, vous aurez un écrêtage sévère car vous tenterez de piloter le transistor en inverse, donc le point de polarisation DC est requis lors du travail avec ce transistor.

Création d'une FFT

Pour créer un graphique de transformation de Fourier rapide (FFT), sélectionnez simplement une forme d'onde dans les résultats de l'analyse transitoire, allez dans le menu Graphique et cliquez sur Créer un graphique FFT. Les spectres de Fourier ci-dessous montrent les composantes fréquentielles dans le courant de charge (graphique du haut) et la puissance dans la résistance (graphique du bas). Ces graphiques ont été tracés à partir des résultats du balayage des paramètres, bien que vous puissiez également créer des graphiques avec la tension de base réglée sur des valeurs spécifiques (vous pouvez définir cela directement dans le schéma). Nous pouvons voir un contenu fréquentiel d'ordre supérieur dans les spectres (jusqu'au 7ème ordre), bien qu'il y ait une certaine distorsion harmonique due au rognage dans les résultats de l'analyse transitoire.

Faire Plus Avec les Simulations de Modulation de Fréquence

Si vous le souhaitez, vous pouvez ajouter une onde à ces graphiques dans un nouveau graphique pour la source FM, et effectuer une FFT pour cette source. D'après nos résultats, nous voyons qu'utiliser une tension de base de 7 V est presque idéal pour le signal avec lequel nous travaillons, où la source FM a un biais DC de 0,25 V et une amplitude de 0,25 V autour de ce point de biais. Pour nettoyer le signal, l'amplitude du signal FM devrait être diminuée, ou la tension de base devrait être augmentée.

Vous pouvez également exporter les données de simulation/FFT vers un fichier Excel, ce qui vous permettra de calculer le niveau de distorsion observé à la charge. Étant donné que nous traitons des résultats de balayage, vous pourriez appliquer ces calculs de distorsion harmonique pour tous les spectres FFT présentés ci-dessus, vous donnant ainsi une courbe montrant la distorsion harmonique en fonction de la tension de base.

L'environnement unifié dans Altium Designer vous permet de prendre vos données schématiques et d'effectuer une simulation de modulation de fréquence ou toute autre analyse de votre choix. Cela est bien meilleur que de travailler dans un programme séparé pour exécuter ces analyses importantes. Altium Designer vous donne également accès à un ensemble complet d'outils de simulation post-implantation pour l'analyse de l'intégrité des signaux.

Maintenant, vous pouvez télécharger un essai gratuit d'Altium Designer et en savoir plus sur les meilleurs outils de mise en page, de simulation et de planification de production de l'industrie. Parlez dès aujourd'hui à un expert Altium pour en savoir plus.