Simulazione della Modulazione di Frequenza in Altium Designer

Quando si lavora con segnali analogici, è necessario assicurarsi che il dispositivo funzioni linearmente per prevenire problemi come la distorsione armonica durante il funzionamento. Le interazioni non lineari nei dispositivi analogici portano a distorsioni che corrompono un segnale analogico pulito. Potrebbe non essere ovvio, osservando lo schema o i datasheet, quando un circuito analogico raggiunge il clipping. Invece di tracciare manualmente la catena del segnale, è possibile utilizzare strumenti di simulazione per ottenere una visione del comportamento del dispositivo. Alcune simulazioni importanti con segnali sinusoidali, come una simulazione di modulazione di frequenza, possono essere facilmente eseguite con le funzionalità di simulazione pre-layout in Altium Designer^®.

In questo post, continuerò da una simulazione precedente e introdurrò una sorgente FM in un circuito con un transistor. Qui, l'idea è vedere quale gamma di valori di ingresso posso utilizzare con la mia sorgente analogica per assicurarmi che il dispositivo operi nel range lineare, ovvero quando il mio circuito non lineare smette di comportarsi linearmente.

Questo è molto importante nella progettazione di amplificatori e quando si progettano circuiti integrati analogici basati su transistor. Riguardo alla progettazione di circuiti non lineari e amplificatori in generale, dobbiamo conoscere aspetti come:

• Livello di saturazione per circuiti come comparatori, trigger di Schmitt o amplificatori operazionali
• Punto di compressione, che determina il livello di potenza in ingresso in cui i prodotti di intermodulazione diventano prominenti e degradano i tuoi segnali
• Modalità operative per componenti DC polarizzati e non polarizzati (ad esempio, modalità fotoconduttiva o fotovoltaica per i fotodiodi)
• Filtraggio non lineare, che si riferisce ai parassiti nel modello del transistor così come al comportamento non lineare dell'intero circuito e del semiconduttore

Un altro punto importante con questo sistema, oltre alla non linearità nei tuoi circuiti, è la rettificazione e la polarizzazione DC. Nei circuiti amplificatori a collettore/emettitore comune, spesso è necessaria una certa polarizzazione DC su un segnale variabile nel tempo per modulare completamente la corrente nel transistor, ed è utile trovare la minima polarizzazione DC necessaria per garantire che un'onda pulita sia trasmessa al carico. Esamineremo questo e mostreremo come impostare queste simulazioni in generale in questo articolo.

Iniziare con una simulazione di modulazione di frequenza

In un post precedente, abbiamo esaminato l'analisi della linea di carico per un circuito con un transistor NPN. Basandoci sui risultati della scansione DC, possiamo vedere quando la corrente del collettore inizia a saturarsi man mano che la tensione collettore-emettitore viene aumentata a livelli superiori. Questo ci ha permesso di estrarre la linea di carico per questo circuito e di vedere come cambia la tensione di soglia.

In questa simulazione, vi mostrerò come introdurre una sorgente FM sinusoidale nelle vostre simulazioni ed esaminare quando si verifica il clipping. In questa simulazione di modulazione di frequenza, possiamo quindi esaminare i componenti di Fourier e determinare quando vengono generati nuovi armonici. Possiamo poi modificare la simulazione cambiando il bias DC per vedere come il segnale FM viene tagliato e identificare l'intervallo di valori di ingresso che porta a un comportamento lineare attraverso le bande di frequenza rilevanti. Questo è un aspetto importante della progettazione della catena di segnale RF.

Ho riutilizzato lo schema di simulazione dal mio post precedente, con l'eccezione che ho sostituito la sorgente DC vista dalla base con una sorgente modulata in frequenza. Puoi accedere a questa sorgente di simulazione (denominata VSFFM) dalla libreria Simulation Generic Components.IntLib nel pannello Componenti. In questo schema, ho aggiunto una resistenza da V_CC alla base del transistor per applicare un certo offset DC a V_FM. Con questo schema, possiamo regolare il valore di R_B per vedere quando abbiamo applicato abbastanza offset DV a V_FM per garantire che passiamo un segnale FM pulito a R_LOAD.

In questo schema, l'idea di base è utilizzare l'onda FM per modulare la corrente nel transistor. Qui, ho utilizzato una configurazione a collettore comune con R_E come resistore limitatore di corrente. Tuttavia, potresti anche usare una configurazione a collettore comune (V_FM alla base) e misurare l'uscita attraverso R_E. Il nostro obiettivo è determinare la corrente di base fornita da V_CC che porterà la corrente di carico modulata nel range lineare. Nota che questa corrente aggiuntiva ti sposta essenzialmente lungo la linea di carico e nell'area attiva finché V_CC è sufficientemente grande. Tuttavia, se V_FM diventa troppo grande, potresti finire di nuovo nella regione di saturazione. Con V_CC che opera a livelli logici, possiamo ragionevolmente aspettarci che ciò fornirà un'onda FM pulita al carico finché applichiamo abbastanza offset DC.

Parametri del Segnale FM

Qui, ho impostato la frequenza portante a 100 MHz, l'indice di modulazione a 5 e la frequenza in banda base a 10 MHz. L'intervallo AC è stato inizialmente impostato su +/- 1 V senza offset DC. In questo circuito, puoi utilizzare i risultati della tua linea di carico per vedere l'intervallo appropriato di valori AC che dovrebbero essere applicati alla base per una data tensione collettore-emettitore. Se guardi i risultati della linea di carico, sarai in grado di trovare l'intervallo di valori di tensione collettore-emettitore che producono un'uscita lineare; vorremmo quantificare se questo intervallo di ingresso è appropriato per questo circuito. La finestra di dialogo Proprietà per la sorgente di simulazione generica in Altium Designer mostra chiaramente questi parametri e una forma d'onda.

Parametri dell'Analisi Transitoria

Qui vogliamo eseguire un'analisi transitoria poiché ciò mostrerà il comportamento del sistema nel dominio temporale. L'impostazione per l'analisi transitoria può essere vista nel Cruscotto di Simulazione. Sarò incaricato di misurare la corrente del collettore, la tensione collettore-emettitore e la potenza vista dalla resistenza di carico (R_LOAD). Semplicemente vai al menu "Simula" e clicca su Modifica Impostazioni Simulazione per localizzare la variazione dei parametri e le impostazioni dell'analisi transitoria. Nell'impostazione dell'analisi transitoria (mostrata di seguito), ho impostato "Cicli Predefiniti Visualizzati" a 10. Questo è stato impostato perché il rapporto tra la frequenza del portante e la frequenza del segnale è 10, quindi un intero ciclo di modulazione sarà visibile nell'output. Se imposti questo numero più basso, non sarai in grado di vedere i risultati per un intero ciclo di modulazione.

Parametri di Variazione R_B

Poiché vogliamo assicurarci di trasmettere un segnale pulito a R_LOAD, dobbiamo regolare il valore di R_B in modo da avere un offset DC sufficiente per produrre un segnale pulito misurato attraverso R_LOAD. Per fare ciò, clicca sull'opzione Impostazioni nel Pannello di Simulazione. Questo aprirà la finestra Opzioni di Analisi Avanzata. Il punto principale su cui voglio concentrarmi qui sono le opzioni di sweep. Ho applicato impostazioni per decadi poiché vorremmo assicurarci di poter esaminare rapidamente un ampio intervallo di valori per R_B. Una volta raggiunto un valore approssimativo per R_B, puoi restringere l'intervallo per affinare il valore di R_B in modo da ottenere i migliori risultati.

Risultati della Simulazione di Modulazione di Frequenza

Per ottenere i risultati, clicca su Esegui nel Pannello di Simulazione, oppure premi F9 sulla tua tastiera. Purché tu abbia definito modelli per tutti i tuoi componenti nello schema e non ci siano errori nella netlist generata, vedrai apparire un insieme di grafici sullo schermo. Nell'immagine qui sotto, ho mostrato un insieme di curve di tensione e corrente per i valori di R_B utilizzati nello sweep dei parametri.

I risultati sono interessanti. Se vogliamo fornire la massima potenza al carico, dovremmo impostare R_B a più di 100 Ohm ma meno di circa 316 Ohm. Questo perché vediamo un po' di clipping a 316 Ohm, quindi dovremmo impostare il valore di R_B più basso per garantire di mantenere la stessa alta potenza AC e DC eliminando il clipping. Puoi verificare ciò calcolando il prodotto per ogni coppia di onde nei grafici sopra. Nota che, se dovessimo cambiare il valore DC di V_CC, avremmo un valore richiesto diverso per R_B al fine di produrre la modulazione pulita che vogliamo a R_LOAD.

Scambiando V_FM e V_CC

La forma alternativa dello schema mostrato sopra posiziona V_FM al posto di V_CC. In altre parole, la tensione di base sarebbe semplicemente un interruttore che permette a un segnale FM di passare attraverso il transistor. Se facciamo questo cambio, saremo in grado di vedere perché questo è utile solo quando si applica anche una tensione di base e un alto offset DC al segnale FM. Questo tipo di circuito normalmente non sarebbe utilizzato come amplificatore per un ricevitore. Invece, questo può essere utilizzato con la tensione di base che agisce come un interruttore, che poi permette di consegnare un impulso di alta potenza a un componente del carico.

Basandomi sui risultati precedenti, ho impostato l'intervallo AC a +/- 0,25 V con un certo offset DC fisso. Nella finestra di sweep dei parametri, ho impostato il parametro di sweep primario alla tensione di base. Ho scelto di variare la tensione di base da 1 a 7 V in incrementi di 2 V in modo che tu possa vedere come questo influenzerà l'uscita. Questo mi permetterà di vedere la corrente di carico e i clip di potenza e di sapere quando possiamo vedere un impulso pulito. La mia simulazione produce un insieme di sei grafici, ma voglio concentrarmi sui tre mostrati nell'immagine qui sotto.

Il grafico superiore mostra la corrente del collettore a una tensione di base di 7 V. Il gruppo di forme d'onda centrali mostra la corrente del collettore mentre la tensione di base viene variata da 1 a 7 V. Dovrebbe essere ovvio che la corrente del collettore viene fortemente limitata ai bassi valori di tensione di base. Questo si vede anche nella forma d'onda inferiore, che mostra la potenza alla resistenza di carico. Nota che, se imposti il punto di polarizzazione nella tua fonte FM a 0 V, avrai un forte clipping poiché stai tentando di pilotare il transistor in modo inverso, quindi il punto di polarizzazione DC è richiesto quando si lavora con questo transistor.

Creazione di un FFT

Per creare un grafico della trasformata rapida di Fourier (FFT), seleziona semplicemente un'onda nei risultati dell'analisi transitoria, vai al menu Grafico e clicca su Crea Grafico FFT. Gli spettri di Fourier qui sotto mostrano le componenti di frequenza nella corrente di carico (grafico superiore) e nella potenza nella resistenza (grafico inferiore). Questi grafici sono stati tracciati dai risultati della variazione dei parametri, sebbene tu possa anche creare grafici con la tensione di base impostata su valori specifici (puoi impostarlo direttamente nello schema). Possiamo vedere contenuti di frequenza di ordine superiore negli spettri (fino al 7° ordine), sebbene ci sia una certa distorsione armonica a causa del clipping nei risultati dell'analisi transitoria.

Fare di Più con le Simulazioni di Modulazione di Frequenza

Se vuoi, puoi aggiungere un'onda a questi grafici in un nuovo grafico per la sorgente FM e eseguire una FFT per questa sorgente. Dai nostri risultati, vediamo che usare una tensione di base di 7 V è quasi ideale per il segnale con cui stiamo lavorando, dove la sorgente FM ha un bias di CC di 0,25 V e un'ampiezza di 0,25 V intorno a questo punto di bias. Per pulire il segnale, l'ampiezza del segnale FM dovrebbe essere diminuita, o la tensione di base dovrebbe essere aumentata.

È possibile anche esportare i dati di simulazione/FFT in un file Excel, il che vi permetterà di calcolare il livello di distorsione osservato al carico. Poiché stiamo trattando risultati di sweep, potreste applicare questi calcoli di distorsione armonica per tutti gli spettri FFT mostrati sopra, ottenendo così una curva che mostra la distorsione armonica come funzione della tensione di base.

L'ambiente unificato in Altium Designer vi permette di prendere i vostri dati schematici ed eseguire una simulazione di modulazione di frequenza o qualsiasi altra analisi desideriate. Questo è molto meglio che lavorare in un programma separato per eseguire queste importanti analisi. Altium Designer vi dà anche accesso a un set completo di strumenti di simulazione post-layout per l'analisi dell'integrità del segnale.

Ora potete scaricare una prova gratuita di Altium Designer e scoprire di più sui migliori strumenti di layout, simulazione e pianificazione della produzione del settore. Parlate oggi stesso con un esperto Altium per saperne di più.