Altium Designer에서의 주파수 변조 시뮬레이션

아날로그 신호를 다룰 때는 작동 중 고조파 왜곡과 같은 문제를 방지하기 위해 장치가 선형적으로 작동하고 있는지 확인해야 합니다. 아날로그 장치에서의 비선형 상호작용은 깨끗한 아날로그 신호를 왜곡시킵니다. 회로도나 데이터시트만 보고 아날로그 회로가 클리핑되는지 여부를 알아차리기 어려울 수 있습니다. 신호 체인을 수동으로 추적하는 대신, 시뮬레이션 도구를 사용하여 장치의 동작 행태에 대한 통찰을 얻을 수 있습니다. 주파수 변조 시뮬레이션과 같은 중요한 시뮬레이션은 Altium Designer^®의 사전 레이아웃 시뮬레이션 기능을 사용하여 쉽게 수행할 수 있습니다.

이 글에서는 이전 시뮬레이션에서 이어서 트랜지스터가 있는 회로에 FM 소스를 도입할 것입니다. 여기서의 아이디어는 아날로그 소스와 함께 사용할 수 있는 입력 값의 범위를 파악하여 장치가 선형 범위, 즉 비선형 회로가 더 이상 선형적으로 동작하지 않는 지점에서 작동하도록 하는 것입니다.

이는 증폭기 설계와 트랜지스터 기반 아날로그 집적 회로 설계에서 매우 중요합니다. 일반적인 비선형 회로 및 증폭기 설계와 관련하여 우리가 알아야 할 것들은 다음과 같습니다:

• 포화 수준 비교기, 슈미트 트리거 또는 연산 증폭기와 같은 회로에 대해
• 압축 지점, 간섭 변조 생성물이 두드러지게 되어 신호가 저하되는 입력 전력 수준을 결정합니다
• 운영 모드 편향된 및 비편향된 DC 구성요소에 대해 (예: 포토다이오드에 대한 광전도 또는 광전기 모드)
• 비선형 필터링, 트랜지스터 모델의 기생적 특성뿐만 아니라 전체 회로와 반도체의 비선형 동작과 관련됩니다

이 시스템과 관련하여 회로의 비선형성 외에도 중요한 점은 정류 및 DC 바이어스입니다. 공통 집전기/발광기 증폭기 회로에서는 트랜지스터의 전류를 완전히 변조하기 위해 시간 변동 신호에 일정한 DC 바이어스가 필요한 경우가 많으며, 부하로 깨끗한 파형이 전달되도록 필요한 최소 DC 바이어스를 찾는 것이 유용합니다. 이를 조사하고 이러한 시뮬레이션을 일반적으로 설정하는 방법을 이 기사에서 보여 드리겠습니다.

주파수 변조 시뮬레이션 시작하기

이전 게시물에서, 우리는 NPN 트랜지스터가 있는 회로에 대한 부하선 분석을 살펴보았습니다. DC 스윕 결과를 바탕으로, 컬렉터-에미터 전압이 높은 수준으로 램프될 때 컬렉터 전류가 포화하기 시작하는 것을 볼 수 있습니다. 이를 통해 이 회로의 부하선을 추출하고 임계 전압이 어떻게 변하는지 볼 수 있었습니다.

이 시뮬레이션에서는, 여러분에게 진폭 변조 FM 소스를 시뮬레이션에 도입하는 방법과 클리핑이 발생하는 시점을 검토하는 방법을 보여드리겠습니다. 이 주파수 변조 시뮬레이션에서는, 푸리에 성분을 검토하고 새로운 고조파가 생성되는 시점을 결정할 수 있습니다. 그런 다음 DC 바이어스를 변경하여 시뮬레이션을 수정하여 FM 신호가 어떻게 클립되는지 확인하고 관련 주파수 대역 전체에서 선형 동작으로 이어지는 입력 값의 범위를 식별할 수 있습니다. 이는 RF 신호 체인 설계의 중요한 측면입니다.

이전 게시물에서 사용한 시뮬레이션 회로도를 재사용했지만, 베이스에서 볼 수 있는 DC 소스를 주파수 변조 소스로 교체했습니다. 이 시뮬레이션 소스(이름은 VSFFM)는 Components panel에서 Simulation Generic Components.IntLib 라이브러리를 통해 접근할 수 있습니다. 이 회로도에서는 V_FM에 일부 DC 오프셋을 적용하기 위해 V_CC에서 트랜지스터 베이스까지 저항을 추가했습니다. 이 회로도를 사용하면 R_B의 값을 조정하여 V_FM에 충분한 DV 오프셋을 적용했는지 확인하고, 깨끗한 FM 신호를 R_LOAD로 전달할 수 있습니다.

이 회로도에서 기본적인 아이디어는 FM 파동을 사용하여 트랜지스터의 전류를 변조하는 것입니다. 여기서 저는 R_E를 전류 제한 저항으로 사용하는 공통 집전극 구성을 사용했습니다. 그러나 공통 집전극 구성(V_FM을 베이스에)을 사용하고 R_E를 걸쳐 출력을 측정할 수도 있습니다. 우리의 목표는 변조된 부하 전류를 선형 범위로 이동시킬 V_CC에 의해 공급되는 베이스 전류를 결정하는 것입니다. 이 추가 전류는 기본적으로 부하 선을 따라 상승시키고 V_CC가 충분히 큰 한 활성 영역으로 이동시킵니다. 그러나 V_FM이 너무 커지면 포화 영역으로 다시 돌아갈 수 있습니다. V_CC가 논리 레벨에서 작동할 때, 충분한 DC 오프셋을 적용한다면 이것이 부하에서 깨끗한 FM 파동을 제공할 것으로 합리적으로 기대할 수 있습니다.

FM 신호 파라미터

여기에서 캐리어 주파수를 100 MHz로 설정하고, 변조 지수를 5로, 기저대역 주파수를 10 MHz로 설정했습니다. AC 범위는 초기에 +/- 1V로 설정되었으며 DC 오프셋은 없습니다. 이 회로에서는 부하 선 결과를 사용하여 주어진 콜렉터-에미터 전압에 대해 베이스에 적용해야 하는 AC 값의 적절한 범위를 볼 수 있습니다. 부하 선 결과를 보면 선형 출력을 생성하는 콜렉터-에미터 전압 값의 범위를 찾을 수 있습니다; 우리는 이 입력 범위가 이 회로에 적합한지를 정량화하고 싶습니다. Altium Designer에서 일반 시뮬레이션 소스의 속성 대화 상자는 이러한 매개변수와 파형을 잘 보여줍니다.

과도 분석 매개변수

여기에서는 시간 영역에서 시스템의 동작을 보여줄 수 있으므로 과도 분석을 실행하고자 합니다. 과도 분석 설정은 시뮬레이션 대시보드에서 볼 수 있습니다. 저는 콜렉터 전류, 콜렉터-에미터 전압, 그리고 부하 저항(R_LOAD)에 의해 볼 수 있는 전력을 측정할 것입니다. 단순히 "시뮬레이트" 메뉴로 가서 매개변수 스윕 및 과도 분석 설정을 찾기 위해 시뮬레이션 설정 편집을 클릭하십시오. 아래에 표시된 과도 분석 설정에서는 "기본 표시 주기"를 10으로 설정했습니다. 이는 반송 주파수 대 신호 주파수의 비율이 10이기 때문에 출력에서 전체 변조 주기를 볼 수 있도록 설정되었습니다. 이 숫자를 낮게 설정하면 전체 변조 주기에 대한 결과를 볼 수 없습니다.

R_B 스윕 매개변수

R_LOAD에 깨끗한 신호를 전달하고 싶기 때문에, R_B의 값을 조정하여 R_LOAD를 통해 측정된 깨끗한 신호를 생성할 수 있는 충분한 DC 오프셋을 가지도록 해야 합니다. 이를 위해 시뮬레이션 대시보드에서 설정 옵션을 클릭하십시오. 이렇게 하면 고급 분석 옵션 창이 나타납니다. 여기서 중점적으로 다루고 싶은 부분은 스윕 옵션입니다. R_B의 값에 대해 넓은 범위를 빠르게 스캔할 수 있도록 10년 단위 설정을 적용했습니다. R_B에 대한 대략적인 값에 도달하면, 범위를 좁혀 R_B의 값을 미세 조정하여 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.

주파수 변조 시뮬레이션 결과

결과를 얻으려면 시뮬레이션 대시보드에서 실행을 클릭하거나 키보드에서 F9를 누르십시오. 스키마틱의 모든 구성 요소에 대한 모델을 정의했고 생성된 넷리스트에 오류가 없다면 화면에 그래프 세트가 나타납니다. 아래 이미지에서는 매개변수 스윕에서 사용된 R_B의 값에 대한 전압 및 전류 곡선 세트를 보여줍니다.

결과는 흥미롭습니다. 부하에 최대 전력을 전달하려면 R_B를 100 옴 이상으로 설정하지만 약 316 옴 이하로 설정해야 합니다. 316 옴에서 일부 클리핑이 발생하기 때문에 동일한 높은 AC 및 DC 전력을 유지하면서 클리핑을 제거하기 위해 R_B의 값을 낮게 설정해야 합니다. 위 그래프의 각 파동 쌍에 대한 곱을 계산하여 이를 확인할 수 있습니다. V_CC의 DC 값을 변경한다면, R_LOAD에서 원하는 깨끗한 변조를 생성하기 위해 R_B에 대한 다른 필요값이 있을 것입니다.

V_FM과 V_CC 교체

위에 표시된 회로도의 대안 형태는 V_CC의 위치에 V_FM을 배치합니다. 즉, 베이스 전압은 트랜지스터를 통해 FM 신호가 통과할 수 있게 하는 스위치 역할을 하게 됩니다. 이 스위치를 만들면 베이스 전압을 적용할 때그리고FM 신호에 높은 DC 오프셋을 적용할 때만 유용한 이유를 볼 수 있습니다. 이 유형의 회로는 일반적으로 수신기의 증폭기로 사용되지 않습니다. 대신, 이는 베이스 전압이 스위치처럼 작동하여 부하 구성 요소에 고전력 펄스를 전달할 수 있게 하는 데 사용될 수 있습니다.

이전 결과를 바탕으로, AC 범위를 +/- 0.25V로 설정하고 일정한 DC 오프셋을 적용했습니다. 파라미터 스윕 창에서, 기본 스윕 파라미터를 베이스 전압으로 설정했습니다. 베이스 전압을 1V에서 7V까지 2V씩 증가시켜 변화를 관찰할 수 있도록 선택했으므로, 이것이 출력에 어떤 영향을 미치는지 볼 수 있습니다. 이를 통해 부하 전류와 전력 클립을 확인하고, 깨끗한 펄스를 볼 수 있는 시점을 알 수 있습니다. 내 시뮬레이션은 여섯 개의 플롯을 생성하지만, 아래 이미지에 표시된 세 개에 초점을 맞추고 싶습니다.

상단 그래프는 베이스 전압 7V에서의 콜렉터 전류를 보여줍니다. 중간의 파형들은 베이스 전압이 1V에서 7V로 스윕될 때의 콜렉터 전류를 보여줍니다. 베이스 전압이 낮은 값에서 콜렉터 전류가 심하게 클리핑되는 것이 분명해야 합니다. 이는 하단 파형에서도 볼 수 있으며, 하단 파형은 부하 저항에서의 전력을 보여줍니다. FM 소스의 바이어스 포인트를 0V로 설정하면, 트랜지스터를 역방향으로 구동하려고 시도하면서 심한 클리핑이 발생할 것이므로, 이 트랜지스터를 사용할 때는 DC 바이어스 포인트가 필요합니다.

FFT 생성하기

빠른 푸리에 변환(FFT) 차트를 생성하려면, 과도 분석 결과에서 파형을 선택한 후 차트 메뉴로 이동하여 FFT 차트 생성을 클릭하면 됩니다. 아래의 푸리에 스펙트럼은 부하 전류(상단 그래프)와 저항기의 전력(하단 그래프)에서 주파수 구성 요소를 보여줍니다. 이 그래프들은 파라미터 스윕 결과에서 플롯되었지만, 기본 전압을 특정 값으로 설정하여 플롯을 생성할 수도 있습니다(이는 스키마틱에서 직접 설정할 수 있습니다). 스펙트럼에서 고차 주파수 내용(7차까지)을 볼 수 있지만, 과도 분석 결과에서 클리핑으로 인해 일부 고조파 왜곡이 있습니다.

주파수 변조 시뮬레이션으로 더 많은 작업 수행하기

원한다면, 이 차트에 FM 소스를 위한 새 그래프에 파형을 추가하고 이 소스에 대해 FFT를 수행할 수 있습니다. 우리의 결과에서, 우리가 다루고 있는 신호에 대해 기본 전압 7V를 사용하는 것이 거의 이상적임을 알 수 있습니다. 여기서 FM 소스는 0.25V의 DC 바이어스와 이 바이어스 지점을 중심으로 0.25V의 진폭을 가집니다. 신호를 정리하기 위해, FM 신호의 진폭을 줄이거나 기본 전압을 높여야 합니다.

시뮬레이션/FFT 데이터를 Excel 파일로 내보내어 부하에서 볼 수 있는 왜곡 수준을 계산할 수도 있습니다. 우리가 스윕 결과를 다루고 있기 때문에, 위에 표시된 모든 FFT 스펙트럼에 대해 이러한 고조파 왜곡 계산을 적용할 수 있으며, 이는 기본 전압의 함수로서 고조파 왜곡을 보여주는 곡선을 제공합니다.

Altium Designer의 통합 환경을 통해 회로도 데이터를 가져와 주파수 변조 시뮬레이션 또는 원하는 다른 분석을 수행할 수 있습니다. 이는 중요한 분석을 실행하기 위해 별도의 프로그램에서 작업하는 것보다 훨씬 낫습니다. Altium Designer는 신호 무결성 분석을 위한 완벽한 포스트 레이아웃 시뮬레이션 도구 세트에도 접근할 수 있게 해줍니다.

이제 무료 체험판 Altium Designer를 다운로드하여 업계 최고의 레이아웃, 시뮬레이션 및 생산 계획 도구에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. 오늘 Altium 전문가와 대화하세요하여 더 많은 정보를 얻으십시오.