Altium Designerにおける周波数変調シミュレーション

アナログ信号を扱う際には、動作中の調和歪みのような問題を防ぐために、デバイスが線形に動作していることを確認する必要があります。アナログデバイスの非線形相互作用は、クリーンなアナログ信号を歪ませる歪みを引き起こします。アナログ回路がクリップしているかどうかは、回路図やデータシートを見ただけでは明らかではないかもしれません。信号チェーンを手動で追跡する代わりに、シミュレーションツールを使用してデバイスの挙動についての洞察を得ることができます。周波数変調シミュレーションのような、正弦波信号を用いた重要なシミュレーションは、Altium Designer^®のプリレイアウトシミュレーション機能を使って簡単に実行できます。

この投稿では、以前のシミュレーションから続けて、トランジスタを含む回路にFMソースを導入します。ここでの考え方は、アナログソースを使用してデバイスが線形範囲、つまり非線形回路が線形に振る舞うのを止める入力値の範囲を確認することです。

これは、アンプ設計やトランジスタベースのアナログ集積回路の設計において非常に重要です。一般的な非線形回路やアンプ設計に関しては、以下のようなことを知る必要があります：

• 飽和レベルは、コンパレータ、シュミットトリガ、オペアンプ
• などの回路において重要です。圧縮点は、相互変調生成物が顕著になり、信号が劣化する入力電力レベルを決定します
• 。バイアスあり/なしのDC成分（例えば、フォトダイオードの光導電モードや光起電力モード）
• に対する動作モード。非線形フィルタリングは、トランジスタモデルの寄生要素や全体の回路および半導体の非線形挙動に関連します

。このシステムで重要なもう一つの点は、回路の非線形性に加えて、整流とDCバイアスです。共通コレクタ/エミッタ増幅回路では、トランジスタの電流を完全に変調するために、時間変動信号にある程度のDCバイアスが必要になることがよくあります。そして、負荷にクリーンな波形が渡されるように、必要最小限のDCバイアスを見つけることが有用です。この記事では、これを調査し、これらのシミュレーションを一般的に設定する方法を示します

周波数変調シミュレーションの始め方

前回の投稿では、NPNトランジスタを含む回路の負荷線分析について見てきました。DCスイープの結果から、コレクター-エミッター電圧が高いレベルにランプアップされると、コレクター電流が飽和し始めるのがわかります。これにより、この回路の負荷線を抽出し、しきい値電圧の変化を見ることができました。

このシミュレーションでは、正弦波FMソースをシミュレーションに取り入れ、クリッピングが発生するタイミングを調べる方法をお見せします。この周波数変調シミュレーションでは、フーリエ成分を調べ、新しい高調波が生成されるタイミングを決定できます。次に、DCバイアスを変更してシミュレーションを修正し、FM信号がクリップする方法と、関連する周波数帯域全体で線形動作につながる入力値の範囲を特定できます。RF信号チェーン設計の重要な側面です。

前回の投稿からシミュレーション回路図を再利用しましたが、ベースに見られるDCソースを周波数変調ソースに置き換えました。このシミュレーションソース（VSFFMと名付けられています）には、コンポーネントパネルのSimulation Generic Components.IntLibライブラリからアクセスできます。この回路図では、V_CCからトランジスタベースへの抵抗を追加して、V_FMにいくらかのDCオフセットを適用しました。この回路図を使用して、R_Bの値を調整し、V_FMに十分なDVオフセットを適用して、R_LOADにクリーンなFM信号を渡せるかどうかを確認できます。

この回路図では、基本的な考え方は、FM波を使ってトランジスタの電流を変調することです。ここでは、R_Eを電流制限抵抗として共通コレクタ構成を使用しました。しかし、共通コレクタ構成（ベースにV_FM）を使用し、R_Eを通じて出力を測定することもできます。私たちの目標は、変調された負荷電流を線形範囲に入れるためにV_CCによって供給されるベース電流を決定することです。この追加電流は基本的に負荷線を上に移動させ、V_CCが十分に大きい限りアクティブ領域に入ることに注意してください。しかし、V_FMが大きすぎると、飽和領域に戻ってしまう可能性があります。V_CCがロジックレベルで動作する場合、十分なDCオフセットを適用すれば、負荷でクリーンなFM波を得ることができると合理的に期待できます。

FM信号パラメータ

ここでは、キャリア周波数を100 MHz、変調指数を5、基底帯域周波数を10 MHzに設定しました。AC範囲は初期設定で+/- 1 Vで、DCオフセットはありません。この回路では、負荷線の結果を使用して、与えられたコレクター-エミッター電圧に対してベースに適用すべきAC値の適切な範囲を確認できます。負荷線の結果を見ると、線形出力を生成するコレクター-エミッター電圧の範囲を見つけることができます。この入力範囲がこの回路に適しているかどうかを定量化したいと考えています。

過渡解析パラメータ

ここでは、時間領域でのシステムの動作を示すため、過渡解析を実行します。過渡解析の設定は、シミュレーション ダッシュボードで確認できます。コレクタ電流、コレクタ - エミッタ間電圧、負荷抵抗 (R_LOAD) から見た電力を測定します。 「Simulate」メニューに移動し、「Edit Simulation Setup」をクリックして、パラメータスイープと過渡解析設定を見つけます。過渡解析設定 (下図) では、「表示されるデフォルトのサイクル」を 10 に設定しました。これは、キャリア周波数と信号周波数の比が 10 であるため、変調サイクル全体が出力に表示されるように設定されています。 。この数値を低く設定すると、変調サイクル全体の結果を確認できなくなります。

過渡解析パラメータ

ここでは、時間領域でのシステムの挙動を示すために、過渡解析を実行したいと考えています。過渡解析の設定は、シミュレーションダッシュボードで確認できます。コレクタ電流、コレクタ-エミッタ電圧、および負荷抵抗（R_LOAD）によって見られる電力を測定します。単に「シミュレート」メニューに移動し、「シミュレーション設定の編集」をクリックして、パラメータスイープと過渡解析の設定を見つけます。下に示す過渡解析の設定では、「デフォルトサイクル表示」を10に設定しました。これは、キャリア周波数と信号周波数の比が10であるため、出力に完全な変調サイクルが表示されるように設定されました。この数値を低く設定すると、完全な変調サイクルの結果を見ることができません。

R_B スイープパラメータ

R_LOADにクリーンな信号を送りたいので、R_Bの値を調整して、R_LOADを渡るクリーンな信号を生成するのに十分なDCオフセットを持つようにする必要があります。これを行うには、シミュレーションダッシュボードで設定オプションをクリックします。これにより、高度な分析オプションウィンドウが表示されます。ここで注目したい主なポイントは、スイープオプションです。R_Bの値の大きな範囲を素早くスキャンできるように、私は10年単位の設定を適用しました。R_Bのおおよその値にたどり着いたら、範囲を絞り込んでR_Bの値を微調整し、最良の結果を得ることができます。

周波数変調シミュレーション結果

結果を得るには、シミュレーションダッシュボードで実行をクリックするか、キーボードのF9を押します。回路図のすべてのコンポーネントにモデルを定義しており、生成されたネットリストにエラーがない限り、画面に一連のグラフが表示されます。下の画像では、パラメータスイープで使用されたR_Bの値に対する電圧と電流の曲線のセットを示しています。

結果は興味深いです。負荷に最大電力を供給したい場合、R_Bを100オーム以上、しかし約316オーム未満に設定すべきです。これは、316オームでクリッピングが見られるため、同じ高いACおよびDC電力を維持しつつクリッピングを排除するために、R_Bの値を低く設定すべきだからです。上記のグラフの各波のペアの積を計算することで、これを確認できます。V_CCのDC値を変更する場合、R_LOADで求めるクリーンな変調を生成するために必要なR_Bの値が異なることに注意してください。

V_FMとV_CCの交換

上記で示された回路図の代替形式は、V_CCの位置にV_FMを配置します。言い換えれば、ベース電圧はトランジスタを通過させるFM信号を許可するスイッチとして単純に機能します。このスイッチを行うと、ベース電圧を適用するときだけ有用である理由がわかりますそしてFM信号に高いDCオフセットを適用します。このタイプの回路は通常、受信機のアンプとしては使用されません。代わりに、これはベース電圧がスイッチのように機能し、それによって高電力パルスが負荷コンポーネントに供給される場合に使用できます。

以前の結果に基づき、AC範囲を+/- 0.25 Vに設定し、一定のDCオフセットを加えました。パラメータスイープウィンドウでは、プライマリスイープパラメータをベース電圧に設定しました。ベース電圧を1から7 Vまで2 Vの増分で変化させることにしました。これにより、出力にどのような影響を与えるかがわかります。これにより、負荷電流と電力クリップを確認し、クリーンなパルスが見られるタイミングを知ることができます。私のシミュレーションでは6つのプロットが生成されますが、以下の画像に示されている3つに焦点を当てたいと思います。

上のグラフは、ベース電圧が7 Vの時のコレクタ電流を示しています。中央の波形群は、ベース電圧が1から7 Vにスイープされるときのコレクタ電流を示しています。低いベース電圧値でコレクタ電流が大きくクリップされることは明らかです。これは、負荷抵抗器の電力を示す下の波形でも見られます。FMソースのバイアスポイントを0 Vに設定すると、トランジスタを逆方向に駆動しようとして重度のクリッピングが発生するため、このトランジスタを使用する際にはDCバイアスポイントが必要です。

FFTの作成

高速フーリエ変換（FFT）チャートを作成するには、過渡解析結果で波形を選択し、チャートメニューに移動して、FFTチャートの作成をクリックします。下のフーリエスペクトルは、負荷電流（上グラフ）と抵抗器の電力（下グラフ）の周波数成分を示しています。これらのグラフは、パラメータスイープ結果からプロットされましたが、基準電圧を特定の値に設定してプロットを作成することもできます（これは回路図で直接設定できます）。スペクトルには高次の周波数成分（最大7次まで）が見られますが、過渡解析結果のクリッピングによるいくつかの高調波歪みがあります。

周波数変調シミュレーションでさらに多くのことを行う

ご希望であれば、これらのチャートに新しいグラフでFMソースの波を追加し、このソースのFFTを実行できます。私たちの結果から、FMソースがDCバイアス0.25V、このバイアスポイント周りの振幅0.25Vを持つ場合、基準電圧を7Vにすることがほぼ理想的であることがわかります。信号をクリーンアップするためには、FM信号の振幅を減らすか、基準電圧を増やす必要があります。

シミュレーション/FFTデータをExcelファイルにエクスポートすることもできます。これにより、負荷で見られる歪みのレベルを計算できます。スイープ結果を扱っているため、上記に示されたすべてのFFTスペクトルに対してこれらの高調波歪み計算を適用でき、基本電圧の関数としての高調波歪みを示す曲線を得ることができます。

Altium Designerの統合環境を使用すると、回路図データを取り込んで周波数変調シミュレーションや他の分析を行うことができます。これは、これらの重要な分析を実行するために別のプログラムで作業するよりもはるかに優れています。Altium Designerは、信号整合性分析のための完全なセットのポストレイアウトシミュレーションツールも提供します。

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