Symulacja modulacji częstotliwości w Altium Designer

Pracując z sygnałami analogowymi, musisz upewnić się, że twoje urządzenie działa liniowo, aby zapobiec problemom takim jak zniekształcenia harmoniczne podczas działania. Nieliniowe interakcje w urządzeniach analogowych prowadzą do zniekształceń, które zanieczyszczają czysty sygnał analogowy. Może nie być oczywiste, kiedy obwód analogowy jest przesterowany, tylko patrząc na schemat lub karty katalogowe. Zamiast ręcznie śledzić swoją łańcuch sygnałowy, możesz użyć narzędzi symulacyjnych, aby uzyskać wgląd w zachowanie twojego urządzenia. Niektóre ważne symulacje z sygnałami sinusoidalnymi, takie jak symulacja modulacji częstotliwości, mogą być łatwo przeprowadzone dzięki funkcjom symulacji przed układaniem w Altium Designer^®.

W tym poście będę kontynuować z poprzedniej symulacji i wprowadzę źródło FM do obwodu z tranzystorem. Tutaj chodzi o to, aby zobaczyć, jakiego zakresu wartości wejściowych mogę użyć z moim analogowym źródłem, aby upewnić się, że urządzenie działa w zakresie liniowym, tzn. kiedy mój nieliniowy obwód przestaje zachowywać się liniowo.

To jest dość ważne przy projektowaniu wzmacniaczy i przy projektowaniu tranzystorowych analogowych układów scalonych. W odniesieniu do ogólnego projektowania nieliniowych obwodów i wzmacniaczy, musimy wiedzieć takie rzeczy jak:

• Poziom nasycenia dla obwodów takich jak komparatory, triggery Schmitta czy wzmacniacze operacyjne
• Punkt kompresji, który określa poziom mocy wejściowej, przy której produkty intermodulacji stają się widoczne i pogarszają sygnały
• Tryby pracy dla składowych stałoprądowych, zarówno spolaryzowanych, jak i niespolaryzowanych (np. tryb fotoelektryczny lub fotowoltaiczny dla fotodiod)
• Filtrowanie nieliniowe, które odnosi się do pasożytniczych elementów w modelu tranzystora, jak również nieliniowego zachowania całego obwodu i półprzewodnika

Inny ważny punkt dotyczący tego systemu, oprócz nieliniowości w twoich obwodach, to prostowanie i polaryzacja stałoprądowa. W typowych układach wzmacniaczy wspólnego kolektora/emitera często potrzebna jest pewna polaryzacja stałoprądowa na sygnale zmiennym w czasie, aby w pełni zmodulować prąd w tranzystorze, i jest to przydatne do znalezienia minimalnej polaryzacji stałoprądowej potrzebnej do zapewnienia, że czysta forma fali zostanie przekazana do obciążenia. Zbadamy to i pokażemy, jak ogólnie ustawić te symulacje w tym artykule.

Rozpoczynanie symulacji modulacji częstotliwości

W poprzednim poście przyjrzeliśmy się analizie linii obciążenia dla obwodu z tranzystorem NPN. Na podstawie wyników przeciągu DC możemy zobaczyć, kiedy prąd kolektora zaczyna nasycić się, gdy napięcie kolektor-emiter jest zwiększane do wyższych poziomów. Pozwoliło nam to wyodrębnić linię obciążenia dla tego obwodu i zobaczyć, jak zmienia się napięcie progowe.

W tej symulacji pokażę Ci, jak wprowadzić do symulacji źródło sinusoidalne FM i zbadać, kiedy występuje obcinanie. W tej symulacji modulacji częstotliwości możemy następnie zbadać składowe Fouriera i określić, kiedy generowane są nowe harmoniczne. Następnie możemy zmodyfikować symulację, zmieniając polaryzację stałoprądową, aby zobaczyć, jak sygnał FM jest obcinany i zidentyfikować zakres wartości wejściowych prowadzących do liniowego zachowania w całym odpowiednim paśmie częstotliwości. Jest to ważny aspekt projektowania łańcucha sygnałowego RF.

Wykorzystałem schemat symulacji z mojego poprzedniego posta, z tą różnicą, że zastąpiłem źródło stałoprądowe widoczne przy bazie źródłem z modulacją częstotliwości. Dostęp do tego źródła symulacji (nazwanego VSFFM) można uzyskać z biblioteki Simulation Generic Components.IntLib w Panelu komponentów. W tym schemacie dodałem rezystor od V_CC do bazy tranzystora, aby zastosować pewne przesunięcie stałoprądowe do V_FM. Dzięki temu schematowi możemy dostosować wartość R_B, aby zobaczyć, kiedy zastosowaliśmy wystarczające przesunięcie DV do V_FM, aby upewnić się, że przekazujemy czysty sygnał FM do R_LOAD.

W tym schemacie podstawowym pomysłem jest wykorzystanie fali FM do modulacji prądu w tranzystorze. Tutaj użyłem konfiguracji wspólnego kolektora z R_E jako rezystorem ograniczającym prąd. Jednakże, można również użyć konfiguracji wspólnego kolektora (V_FM na bazie) i mierzyć wyjście przez R_E. Naszym celem jest określenie prądu bazy dostarczanego przez V_CC, który umieści modulowany prąd obciążenia w zakresie liniowym. Należy zauważyć, że ten dodatkowy prąd zasadniczo przesuwa nas w górę linii obciążenia i do aktywnej strefy, o ile V_CC jest wystarczająco duże. Jednakże, jeśli V_FM stanie się zbyt duże, możesz znów znaleźć się w strefie nasycenia. Przy V_CC pracującym na poziomach logiki, możemy z rozsądkiem oczekiwać, że to zapewni czystą falę FM na obciążeniu, o ile zastosujemy wystarczające przesunięcie stałoprądowe.

Parametry sygnału FM

Tutaj ustawiłem częstotliwość nośną na 100 MHz, indeks modulacji na 5 oraz częstotliwość pasma podstawowego na 10 MHz. Zakres AC został początkowo ustawiony na +/- 1 V bez przesunięcia DC. W tym obwodzie możesz użyć wyników swojej linii obciążenia, aby zobaczyć odpowiedni zakres wartości AC, które powinny być stosowane do bazy dla danej napięcia kolektor-emiter. Jeśli przyjrzysz się wynikom linii obciążenia, będziesz mógł znaleźć zakres wartości napięcia kolektor-emiter, które produkują liniowe wyjście; chcielibyśmy określić, czy ten zakres wejściowy jest odpowiedni dla tego obwodu. Okno dialogowe Właściwości dla generycznego źródła symulacji w Altium Designer ładnie pokazuje te parametry oraz przebieg.

Parametry Analizy Przejściowej

Tutaj chcemy przeprowadzić analizę przejściową, ponieważ pokaże ona zachowanie systemu w dziedzinie czasu. Konfigurację analizy przejściowej można zobaczyć w Panelu Symulacji. Będę mierzyć prąd kolektora, napięcie kolektor-emiter oraz moc widzianą przez rezystor obciążenia (R_LOAD). Po prostu przejdź do menu „Symuluj” i kliknij Edytuj Ustawienia Symulacji, aby znaleźć ustawienia zmiany parametrów i analizy przejściowej. W ustawieniach analizy przejściowej (pokazane poniżej) ustawiłem „Domyślną Liczbę Wyświetlanych Cykli” na 10. Zostało to ustawione, ponieważ stosunek częstotliwości nośnej do częstotliwości sygnału wynosi 10, więc cały cykl modulacji będzie widoczny na wyjściu. Jeśli ustawisz tę liczbę na niższą, nie będziesz mógł zobaczyć wyników dla całego cyklu modulacji.

Parametry Zmiennych R_B

Ponieważ chcemy upewnić się, że przekazujemy czysty sygnał do R_LOAD, musimy dostosować wartość R_B tak, aby uzyskać wystarczające przesunięcie stałoprądowe, które pozwoli wytworzyć czysty sygnał mierzony na R_LOAD. Aby to zrobić, kliknij opcję Ustawienia w Kokpicie Symulacji. Spowoduje to otwarcie okna Zaawansowane Opcje Analizy. Głównym punktem, na którym chcę się tutaj skupić, są opcje przesuwu. Zastosowałem ustawienia dekadowe, ponieważ chcielibyśmy upewnić się, że możemy szybko przeszukać szeroki zakres wartości dla R_B. Gdy znajdziesz przybliżoną wartość dla R_B, możesz zawęzić zakres, aby dokładnie dostroić wartość R_B, aby uzyskać najlepsze wyniki.

Wyniki Symulacji Modulacji Częstotliwości

Aby uzyskać wyniki, kliknij Uruchom na Kokpicie Symulacji lub naciśnij F9 na klawiaturze. Dopóki zdefiniowałeś modele dla wszystkich swoich komponentów w schemacie i nie ma błędów w wygenerowanej liście połączeń, zobaczysz zestaw wykresów na ekranie. Na poniższym obrazie pokazałem zestaw krzywych napięcia i prądu dla wartości R_B użytych w przesuwie parametru.

Wyniki są interesujące. Jeśli chcemy dostarczyć maksymalną moc do obciążenia, powinniśmy ustawić R_B na wartość powyżej 100 omów, ale mniejszą niż około 316 omów. Wynika to z faktu, że przy 316 omach obserwujemy pewne przycinanie, więc powinniśmy ustawić wartość R_B na niższą, aby zapewnić utrzymanie tej samej wysokiej mocy AC i DC, jednocześnie eliminując przycinanie. Możesz to zweryfikować, obliczając iloczyn dla każdej pary fal na powyższych wykresach. Należy zauważyć, że gdybyśmy zmienili wartość DC V_CC, wymagana wartość R_B w celu wyprodukowania czystej modulacji, którą chcemy uzyskać przy R_LOAD, byłaby inna.

Zamiana V_FM i V_CC

Alternatywna forma schematu pokazana powyżej umieszcza V_FM na miejscu V_CC. Innymi słowy, napięcie bazy byłoby po prostu przełącznikiem, który pozwala na przepuszczenie sygnału FM przez tranzystor. Jeśli dokonamy tej zmiany, będziemy mogli zobaczyć, dlaczego jest to użyteczne tylko wtedy, gdy stosuje się również napięcie bazy i wysokie przesunięcie DC do sygnału FM. Tego typu obwód zwykle nie byłby używany jako wzmacniacz dla odbiornika. Zamiast tego, może to być użyte, gdy napięcie bazy działa jak przełącznik, który następnie pozwala na dostarczenie wysokiej mocy impulsu do komponentu obciążenia.

Na podstawie poprzednich wyników ustawiłem zakres AC na +/- 0,25 V z pewnym stałym przesunięciem DC. W oknie przeglądu parametrów ustawiłem główny parametr przeglądu na napięcie bazowe. Zdecydowałem się zmieniać napięcie bazowe od 1 do 7 V w przyrostach co 2 V, abyś mógł zobaczyć, jak wpłynie to na wyjście. Pozwoli mi to zobaczyć prąd obciążenia i klipy mocy oraz wiedzieć, kiedy możemy zobaczyć czysty impuls. Moja symulacja wyprodukowała zestaw sześciu wykresów, ale chcę skupić się na trzech pokazanych na poniższym obrazie.

Górny wykres pokazuje prąd kolektora przy napięciu bazowym 7 V. Środkowy zestaw przebiegów pokazuje prąd kolektora, gdy napięcie bazowe jest zmieniane od 1 do 7 V. Powinno być oczywiste, że prąd kolektora jest mocno ograniczany przy niskich wartościach napięcia bazowego. Widoczne jest to również na dolnym przebiegu, który pokazuje moc na rezystorze obciążenia. Zauważ, że jeśli ustawisz punkt pracy w twoim źródle FM na 0 V, wystąpi silne ograniczenie, ponieważ będziesz próbował sterować tranzystorem w odwrotnym kierunku, dlatego punkt pracy DC jest wymagany przy pracy z tym tranzystorem.

Tworzenie FFT

Aby utworzyć wykres szybkiej transformacji Fouriera (FFT), wystarczy wybrać przebieg w wynikach analizy przejściowej, przejść do menu Wykres i kliknąć Utwórz wykres FFT. Poniższe spektra Fouriera pokazują składowe częstotliwościowe w prądzie obciążenia (wykres górny) oraz moc w rezystorze (wykres dolny). Te wykresy zostały narysowane na podstawie wyników analizy zmian parametrów, chociaż można również tworzyć wykresy z ustalonym napięciem bazowym na określone wartości (można to ustawić bezpośrednio w schemacie). Możemy zobaczyć zawartość wyższych harmonicznych w spektrach (do 7. rzędu), chociaż występuje pewne zniekształcenie harmoniczne spowodowane obcięciem w wynikach analizy przejściowej.

Więcej możliwości z symulacjami modulacji częstotliwości

Jeśli chcesz, możesz dodać falę do tych wykresów na nowym wykresie dla źródła FM i przeprowadzić dla tego źródła FFT. Z naszych wyników wynika, że używanie napięcia bazowego 7 V jest niemal idealne dla sygnału, z którym pracujemy, gdzie źródło FM ma stałe składowe prądu 0,25 V i amplitudę 0,25 V względem tego punktu odniesienia. Aby oczyścić sygnał, amplituda sygnału FM powinna zostać zmniejszona, lub napięcie bazowe powinno zostać zwiększone.

Możesz również wyeksportować dane symulacji/FFT do pliku Excel, co pozwoli Ci obliczyć poziom zniekształceń widocznych na obciążeniu. Ponieważ mamy do czynienia z wynikami przesunięcia, możesz zastosować te obliczenia zniekształceń harmonicznych dla wszystkich widm FFT pokazanych powyżej, uzyskując krzywą pokazującą zniekształcenia harmoniczne jako funkcję napięcia bazowego.

Jednolite środowisko w Altium Designer pozwala na przeniesienie danych schematycznych i wykonanie symulacji modulacji częstotliwości lub dowolnej innej analizy, jaką lubisz. Jest to znacznie lepsze niż praca w oddzielnym programie do przeprowadzania tych ważnych analiz. Altium Designer daje również dostęp do kompletnego zestawu narzędzi do symulacji po rozmieszczeniu elementów dla analizy integralności sygnału.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.