Création d'une simulation d'amplificateur dans Altium Designer

Zachariah Peterson
|  November 7, 2019

Layout for length matching for high-speed signals

La correspondance des longueurs des signaux ultra-rapides est une question de synchronisation...

Nous aimerions tous arriver plus rapidement à l'étape des tests et des mesures. Cela signifie que vous avez enfin terminé la phase de conception et que vous êtes prêt à tester les prototypes. Cela peut également signifier que vous vous êtes contenté d'utiliser le nombre de composants dont vous avez besoin pour votre système et que vous évaluez les fonctionnalités proposées pour votre système. Les tests et les mesures de vos circuits sont très importants, mais ils ne serviront à rien si vous ne disposez pas d'éléments de comparaison.

Rôle des simulations

Vos outils de simulation, qu'ils soient utilisés pour des amplificateurs ou pour tout autre circuit, sont importants pour vous aider à valider vos circuits avant le routage de votre carte. De nombreux fabricants de composants produisent des CI, des SoC et des SoM destinés à des applications particulières, mais ces composants ne correspondent pas toujours à vos besoins. Si vous êtes en train de concevoir de nouvelles fonctionnalités pour votre prochain système, vous allez probablement créer des circuits personnalisés à partir de différents circuits intégrés et/ou composants discrets.

Dans ce cas, les outils de simulation deviennent utiles pour évaluer les conceptions. Lorsque vous commencez à tester des prototypes ou à utiliser une carte d'évaluation pour des composants spéciaux, les résultats de vos simulations doivent servir de référence pour les comparaisons. Les nouveaux systèmes à micro-ondes et ondes millimétriques étant appelés à se démocratiser, en particulier en raison de la généralisation des applications 5G et radar, un nombre croissant de concepteurs vont devoir se lancer dans la conception de systèmes spéciaux utilisant des amplificateurs RF. L'intégrité du signal étant particulièrement préoccupante en ce qui concerne ces systèmes, les concepteurs doivent utiliser leurs simulations pour évaluer les performances. 

Grâce aux vastes bibliothèques de composants et aux outils d'analyse intégrés d'Altium Designer®, vous pourrez créer une simulation d'amplificateur précise et effectuer un certain nombre d'analyses. Les outils de simulation dont vous avez besoin sont intégrés dans l'éditeur de schémas d'Altium Designer et sont faciles d'accès lors de la conception de vos circuits.

Création d'une simulation d'amplificateur dans Altium Designer

La création d'une nouvelle simulation, que ce soit pour votre circuit d'amplificateur, votre bloc de traitement du signal ou tout autre circuit, s'effectue au niveau du schéma. La première étape consiste à créer un nouveau schéma dans Altium Designer et à localiser les sources de simulation dont vous avez besoin. Après avoir créé un schéma vierge, il vous faudra trouver les composants pour votre amplificateur et le circuit correspondant. Si vous accédez au panneau des composants, défilez vers le bas jusqu'à la bibliothèque Simulation Sources.IntLib et vous trouverez un certain nombre de sources différentes contrôlées en tension/courant pour votre circuit.

Dans l'exemple de schéma ci-dessous, j'ai utilisé quelques résistances génériques pour créer une boucle de contre-réaction avec l'amplificateur MCP6H01T. Vous trouverez cet amplificateur ou tout autre amplificateur dans le panneau de recherche des composants par fabricant. Vous pouvez également localiser tous les composants passifs que vous devez inclure dans le circuit, y compris le condensateur en céramique C1 illustré ci-dessous. Pour que tout soit bien clair, j'ai ajouté des étiquettes de signaux et une sonde de tension à une extrémité pour les mesures.

Simple amplifier simulation circuit in Altium Designer

Circuit de simulation d'amplificateur simple avec un condensateur de couplage

Ce qu'il faut noter à propos de ce schéma, c'est que vous devez définir le port VCC en utilisant une source de tension, sinon votre simulation interprétera la broche 5 comme étant indéfinie. Je l'ai fait en utilisant le modèle VSRC de la bibliothèque Simulation Sources.IntLib. Notez que vous pouvez utiliser n'importe lequel des composants de la recherche des composants par fabricant, y compris différents circuits intégrés d'amplificateurs spéciaux.

Possibilités d'utilisation d'une simulation d'amplificateur dans Altium Designer

Le module MixedSim et les autres outils d'Altium Designer conviennent parfaitement pour effectuer un certain nombre d'analyses lors de la conception de circuits et d'amplificateurs. Voici quelques exemples importants dans le domaine de la conception des amplificateurs :

  • Analyse des paramètres. Il s'agit d'un excellent moyen d'analyser certains paramètres dans la source et de calculer la réponse du circuit. Par exemple, il est possible d'effectuer des itérations en utilisant différentes valeurs de composants passifs dans la boucle de contre-réaction ou d'autres composants en aval.
  • Signaux modulés en fréquence. Vous pouvez utiliser les modèles de simulation d'amplificateur d'Altium Designer pour déterminer comment la non-linéarité de l'amplificateur contribue à l'intermodulation avec le signal modulé en fréquence. Vous pouvez inclure cette source modulée en fréquence à l'aide du modèle associé dans la bibliothèque Simulation Sources.IntLib.
  • Analyse des pôles et des zéros et analyse de la fonction de transfert. Ces deux analyses associées sont importantes pour examiner le passage à un état stable lorsque l'amplificateur est stimulé par des impulsions. L'analyse des pôles et des zéros est une méthode qui permet d'examiner facilement la stabilisation de l'amplificateur et de la boucle de retour. Si vous incluez un condensateur de couplage quelque part dans le circuit de filtrage, c'est un élément important à prendre en compte.

Si vous activez l'analyse de Fourier dans votre profil MixedSim en régime transitoire, le simulateur calculera automatiquement une série de Fourier pour les signaux d'entrée et de sortie de votre simulation. Les résultats de votre analyse en régime transitoire se situent dans le domaine temporel, mais il est utile d'examiner la sortie dans le domaine fréquentiel, en particulier si vous concevez un amplificateur personnalisé à partir de composants discrets. Si vous utilisez un amplificateur dans une chaîne de signaux analogiques proche ou à saturation, le comportement non linéaire de l'amplificateur générera des harmoniques, qui apparaîtront sous la forme de pics discrets sur la sortie du spectre de fréquences. Ce phénomène est illustré dans le graphique ci-dessous (j'ai zoomé pour plus de clarté), où une onde sinusoïdale de 200 kHz a été utilisée pour amener l'amplificateur à saturation.

Harmonic generation in an amplifier simulation in Altium Designer

Génération d'harmoniques dans une simulation d'amplificateur

Les puissants outils de simulation de schémas d'Altium Designer sont idéaux pour réaliser des simulations d'amplificateurs et de nombreuses autres analyses avant la création de votre routage de circuit imprimé. Ils constituent une référence utile pour comparer les résultats de vos tests et vous aident à anticiper les problèmes potentiels d'intégrité du signal de votre carte. Altium Designer vous offre également un ensemble complet d'outils pour gérer votre chaîne d'approvisionnement et préparer les livrables pour votre fabricant.

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Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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