Come creare una simulazione di un amplificatore in Altium Designer®

Zachariah Peterson
|  November 7, 2019
La corrispondenza della lunghezza per i segnali ad alta velocità è tutta una questione di sincronizzazione...
La corrispondenza della lunghezza per i segnali ad alta velocità è tutta una questione di sincronizzazione...

Ognuno di noi vorrebbe passare alle fasi di collaudo e misurazione in tempi più brevi. Questo significa che hai finalmente superato la fase di progettazione e sei pronto a collaudare i prototipi. Potrebbe inoltre significare che ti sei limitato all'inserimento dei componenti necessari per il tuo processo e hai valutato le funzionalità proposte per il tuo approccio. I collaudi e le misurazioni dei tuoi circuiti sono molto importanti, ma non hanno senso se non possiedi una base per il confronto.

Il ruolo delle simulazioni

I tuoi strumenti di simulazione, siano essi utilizzati per amplificatori o per qualsiasi altro circuito, sono importanti per aiutarti nella fase di convalida dei tuoi circuiti prima di creare il layout della tua scheda. Molti produttori di componenti sono presenti nel settore della produzione di circuiti integrati specializzati, dei sistemi su circuiti integrati (SOC) e dei sistemi embedded (SOM) per particolari applicazioni, anche se questi componenti non sono sempre adattabili alle tue esigenze. Se sei impegnato ad introdurre nuove funzionalità per il tuo prossimo processo, probabilmente creerai circuiti personalizzati da una varietà di circuiti integrati e/o componenti discreti.

Questa è la situazione in cui gli strumenti di simulazione diventano utili per valutare i progetti. I risultati provenienti dalle tue simulazioni dovrebbero essere presi come riferimento per eseguire delle comparazioni nel momento in cui inizi a testare i prototipi oppure quando utilizzi una scheda di valutazione per componenti specializzati. Con le più recenti strutture a microonde e mmWave, ormai sempre più comuni soprattutto nel momento in cui le applicazioni 5G e radar saranno utilizzate in maniera diffusa, un numero maggiore di progettisti dovrà iniziare a progettare sistemi specializzati basati sugli amplificatori RF. L'integrità di segnale è una problema specifico in questi sistemi, in quanto i progettisti dovrebbero utilizzare le loro simulazioni per valutare le prestazioni.

Grazie alle ampie librerie di componenti e agli strumenti di analisi integrati in Altium Designer®, sarai in grado di creare un'accurata simulazione di un amplificatore ed eseguire una serie di analisi. Gli strumenti di simulazione necessari sono integrati nell'editor schematico di Altium Designer® e sono facilmente accessibili durante la progettazione dei tuoi circuiti.

Creare una simulazione di un amplificatore in Altium Designer®

La creazione di una nuova simulazione, riferita al tuo circuito dell'amplificatore, al blocco di elaborazione del segnale o ad un altro circuito, inizia a livello schematico. Il primo passo consiste nel creare un nuovo schematico in Altium Designer® e individuare le fonti di simulazione necessarie. Dopo aver creato uno schematico vuoto dovrai trovare i componenti per il tuo amplificatore e i relativi circuiti. Se apri il pannello dei componenti puoi scorrere verso il basso fino alla libreria "Simulation Sources.IntLib" e gestire un certo numero di differenti sorgenti controllate in tensione/corrente per il tuo circuito.

Nell'esempio successivo riferito allo schematico, ho utilizzato resistori generici per creare un ciclo di analisi con l'amplificatore MCP6H01T. Puoi trovare questo amplificatore o qualsiasi altro componente simile nel pannello di ricerca degli articoli del produttore. Puoi inoltre individuare eventuali elementi passivi da includere nel tuo circuito, incluso il condensatore ceramico C1 mostrato qui di seguito. Ho aggiunto alcune etichette di rete per rendere il tutto più chiaro e una sonda di tensione single-ended per le misurazioni.

Semplice circuito di simulazione dell'amplificatore con un condensatore di accoppiamento
Semplice circuito di simulazione dell'amplificatore con un condensatore di accoppiamento

Con questo schematico dovrai definire la porta VCC utilizzando una sorgente di tensione, altrimenti la simulazione interpreterà il pin 5 come indefinito. Ho realizzato questo esempio utilizzando il modello VSRC della libreria di simulazione Sources.IntLib. Nota che potresti utilizzare uno qualsiasi dei componenti presenti nella lista del campo di ricerca articoli del produttore, oltre ad una varietà di circuiti integrati amplificati specifici.

Ecco cosa puoi realizzare con una simulazione di un amplificatore in Altium Designer®

Il modulo MixedSim e altri strumenti di Altium Designer® sono ideali per una serie di analisi nella progettazione di circuiti e amplificatori. Alcuni importanti esempi nella progettazione degli amplificatori sono:

  • Parameters Sweep. Questo è un ottimo modo per consultare alcuni parametri alla sorgente e calcolare la risposta del circuito. Alcuni esempi includono l'iterazione attraverso vari valori di elementi passivi nel ciclo di analisi, oppure altri componenti a valle.
  • Segnali modulati di frequenza. Puoi utilizzare i modelli di simulazione dell'amplificatore in Altium Designer® per esaminare l'influenza della non linearità dell'amplificatore rispetto all'intermodulazione con segnale di frequenza modulato. Puoi includere questa fonte di frequenza modulata utilizzando il modello associato nella libreria di simulazione Sources.IntLib.
  • Analisi della funzione di trasferimento e dei poli-zeri. Queste due analisi associate sono importanti per esaminare il passaggio allo stato stazionario quando l'amplificatore viene azionato mediante impulsi. L'analisi dei poli-zeri fornisce un semplice metodo per esaminare in che modo l'amplificatore e il ciclo di analisi si stabilizzano nello stato stazionario. Ciò è importante nel momento in cui inserisci un condensatore di accoppiamento in un punto qualsiasi del circuito per il filtraggio.

Se abiliti l'analisi di Fourier nel tuo profilo MixedSim relativo all'analisi transitoria, il simulatore calcolerà automaticamente una serie Fourier per i segnali d'ingresso e d'uscita nella tua simulazione. I risultati della tua analisi transitoria sono presenti nel dominio temporale, ma ti aiutano ad esaminare l'output nel dominio della frequenza, specialmente se stai progettando un amplificatore personalizzato mediante componenti discreti. Se stai utilizzando un amplificatore in una catena di segnali analogici in saturazione o ai limiti di saturazione, il comportamento non lineare dell'amplificatore causerà la generazione di un'armonica, che apparirà come picchi dei valori discreti nell'output dello spettro di frequenza. Questo esempio è mostrato nel grafico sottostante (ingrandito per maggiore chiarezza), dove è stata utilizzata un'onda sinusoidale da 200 kHz per azionare l'amplificatore in piena saturazione.

Generazione di un'armonica nella simulazione di un amplificatore
Generazione di un'armonica nella simulazione di un amplificatore

I potenti strumenti di simulazione schematica in Altium Designer® sono ideali per eseguire simulazioni di amplificatori e molte altre analisi che precedono la creazione del tuo layout PCB. Questo ti fornisce un utile riferimento per confrontare i risultati dei collaudi e ti aiuta ad anticipare potenziali problemi d'integrità di segnale nella tua scheda. Altium Designer® ti fornisce inoltre una serie completa di strumenti per gestire il tuo processo di produzione e distribuzione, così da permetterti di formulare i risultati finali da inviare al tuo produttore.

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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