Simulação de Modulação de Frequência no Altium Designer

Ao trabalhar com sinais analógicos, é necessário garantir que seu dispositivo esteja operando de maneira linear para evitar problemas como distorção harmônica durante a operação. Interações não lineares em dispositivos analógicos levam a distorções que corrompem um sinal analógico limpo. Pode não ser óbvio quando um circuito analógico está saturando apenas olhando para o seu esquemático ou folhas de dados. Em vez de rastrear manualmente sua cadeia de sinal, você pode usar ferramentas de simulação para obter insights sobre o comportamento do seu dispositivo. Algumas simulações importantes com sinais senoidais, como uma simulação de modulação de frequência, podem ser facilmente realizadas com os recursos de simulação pré-layout no Altium Designer^®.

Neste post, continuarei de uma simulação anterior e introduzirei uma fonte de FM em um circuito com um transistor. Aqui, a ideia é ver qual intervalo de valores de entrada posso usar com minha fonte analógica para garantir que o dispositivo opere na faixa linear, ou seja, quando meu circuito não linear para de se comportar de maneira linear.

Isso é bastante importante no design de amplificadores e ao projetar circuitos integrados analógicos baseados em transistores. Com relação ao design geral de circuitos não lineares e amplificadores, precisamos saber coisas como:

• Nível de saturação para circuitos como comparadores, gatilhos de Schmitt ou amplificadores operacionais
• Ponto de compressão, que determina o nível de potência de entrada onde produtos de intermodulação se tornam proeminentes e degradam seus sinais
• Modos de operação para componentes DC polarizados e não polarizados (por exemplo, modo fotocondutivo ou fotovoltaico para fotodiodos)
• Filtragem não linear, que se relaciona com parasitas no modelo do transistor, bem como o comportamento não linear do circuito em geral e do semicondutor

O outro ponto importante com este sistema, além da não linearidade em seus circuitos, é a retificação e polarização DC. Em circuitos amplificadores de coletor/emissor comuns, você frequentemente precisará de alguma polarização DC em um sinal variável no tempo para modular completamente a corrente no transistor, e é útil encontrar a polarização DC mínima necessária para garantir que uma forma de onda limpa seja passada para a carga. Investigaremos isso e mostraremos como configurar essas simulações geralmente neste artigo.

Introdução à Simulação de Modulação de Frequência

Em um post anterior, analisamos a análise de linha de carga para um circuito com um transistor NPN. Com base nos resultados da varredura DC, podemos ver quando a corrente do coletor começa a saturar à medida que a tensão coletor-emissor é aumentada para níveis mais altos. Isso nos permitiu extrair a linha de carga para este circuito e ver como a tensão de limiar muda.

Nesta simulação, vou mostrar como introduzir uma fonte FM senoidal em suas simulações e examinar quando ocorre o clipping. Nesta simulação de modulação de frequência, podemos então examinar os componentes de Fourier e determinar quando novos harmônicos são gerados. Podemos então modificar a simulação alterando o viés DC para ver como o sinal FM é cortado e identificar a faixa de valores de entrada que levam a um comportamento linear ao longo das bandas de frequência relevantes. Este é um aspecto importante do design da cadeia de sinal RF.

Reutilizei o esquema de simulação do meu post anterior, com a exceção de que substituí a fonte DC vista pela base por uma fonte modulada em frequência. Você pode acessar esta fonte de simulação (chamada VSFFM) a partir da biblioteca Simulation Generic Components.IntLib no Painel de Componentes. Neste esquema, adicionei um resistor de V_CC para a base do transistor a fim de aplicar algum deslocamento DC a V_FM. Com este esquema, podemos ajustar o valor de R_B para ver quando aplicamos deslocamento DV suficiente a V_FM para garantir que passamos um sinal FM limpo para R_LOAD.

Neste esquemático, a ideia básica é usar a onda FM para modular a corrente no transistor. Aqui, eu usei uma configuração de coletor comum com R_E como um resistor limitador de corrente. No entanto, você também poderia usar uma configuração de coletor comum (V_FM na base) e medir a saída através de R_E. Nosso objetivo é determinar a corrente de base fornecida por V_CC que colocará a corrente de carga modulada na faixa linear. Note que essa corrente adicional basicamente te move para cima na linha de carga e para a região ativa, desde que V_CC seja suficientemente grande. No entanto, se V_FM ficar muito grande, você pode acabar de volta na região de saturação. Com V_CC operando em níveis lógicos, podemos razoavelmente esperar que isso dará uma onda FM limpa na carga, desde que apliquemos um deslocamento DC suficiente.

Parâmetros do Sinal FM

Aqui, defini a frequência portadora para 100 MHz, o índice de modulação para 5 e a frequência de base para 10 MHz. A faixa de CA foi inicialmente definida como +/- 1 V sem deslocamento de CC. Neste circuito, você pode usar os resultados da sua linha de carga para ver a faixa apropriada de valores de CA que devem ser aplicados à base para uma dada tensão coletor-emissor. Se você olhar para os resultados da linha de carga, será capaz de encontrar a faixa de valores de tensão coletor-emissor que produzem uma saída linear; gostaríamos de quantificar se esta faixa de entrada é apropriada para este circuito. A caixa de diálogo Propriedades para a fonte de simulação genérica no Altium Designer mostra bem esses parâmetros e uma forma de onda.

Parâmetros de Análise Transiente

Aqui queremos realizar uma análise transiente, pois isso mostrará o comportamento do sistema no domínio do tempo. A configuração para a análise transiente pode ser vista no Painel de Simulação. Estarei medindo a corrente do coletor, a tensão coletor-emissor e a potência vista pelo resistor de carga (R_LOAD). Basta ir ao menu “Simular” e clicar em Editar Configuração de Simulação para localizar a varredura de parâmetros e as configurações de análise transiente. Na configuração da análise transiente (mostrada abaixo), defini “Ciclos Padrão Exibidos” para 10. Isso foi definido porque a razão da frequência do portador para a frequência do sinal é 10, então um ciclo de modulação inteiro será visto na saída. Se você definir esse número mais baixo, não será capaz de ver resultados para um ciclo de modulação inteiro.

Parâmetros de Varredura R_B

Uma vez que queremos garantir que estamos passando um sinal limpo para R_LOAD, precisamos ajustar o valor de R_B de modo que tenhamos um deslocamento DC suficiente para produzir um sinal limpo, conforme medido em R_LOAD. Para fazer isso, clique na opção Configurações no Painel de Simulação. Isso abrirá a janela de Opções de Análise Avançada. O ponto principal em que quero focar aqui são as opções de varredura. Apliquei configurações por década, pois gostaríamos de garantir que podemos varrer rapidamente uma grande gama de valores para R_B. Uma vez que você chegue a um valor aproximado para R_B, você pode estreitar a faixa para ajustar finamente o valor de R_B para obter os melhores resultados.

Resultados da Simulação de Modulação de Frequência

Para obter os resultados, clique em Executar no Painel de Simulação, ou pressione F9 no seu teclado. Contanto que você tenha definido modelos para todos os seus componentes no seu esquemático e não haja erros na netlist gerada, você verá um conjunto de gráficos aparecer na tela. Na imagem abaixo, mostrei um conjunto de curvas de tensão e corrente para os valores de R_B usados na varredura de parâmetros.

Os resultados são interessantes. Se quisermos entregar a máxima potência à carga, devemos ajustar R_B para mais de 100 Ohms, mas menos do que cerca de 316 Ohms. Isso ocorre porque observamos algum recorte em 316 Ohms, então devemos definir o valor de R_B mais baixo para garantir que mantenhamos a mesma alta potência AC e DC enquanto eliminamos o recorte. Você pode verificar isso calculando o produto para cada par de ondas nos gráficos acima. Note que, se fôssemos mudar o valor DC de V_CC, teríamos um valor diferente necessário para R_B a fim de produzir a modulação limpa que queremos em R_LOAD.

Trocando V_FM e V_CC

A forma alternativa do esquemático mostrado acima coloca V_FM no local de V_CC. Em outras palavras, a tensão de base seria simplesmente uma chave que permite a passagem de um sinal FM através do transistor. Se fizermos essa troca, poderemos ver por que isso só é útil quando você também aplica tensão de base e alto deslocamento DC ao sinal FM. Esse tipo de circuito normalmente não seria usado como um amplificador para um receptor. Em vez disso, isso pode ser usado com a tensão de base atuando como uma chave, que então permite que um pulso de alta potência seja entregue a um componente de carga.

Com base nos resultados anteriores, defini a faixa AC para +/- 0,25 V com algum deslocamento DC fixo. Na janela de varredura de parâmetros, defini o parâmetro de varredura primário para a tensão de base. Escolhi variar a tensão de base de 1 a 7 V em incrementos de 2 V para que você possa ver como isso afetará a saída. Isso me permitirá ver a corrente de carga e os clipes de potência e saber quando podemos ver um pulso limpo. Minha simulação produz um conjunto de seis gráficos, mas quero focar nos três mostrados na imagem abaixo.

O gráfico superior mostra a corrente do coletor a uma tensão de base de 7 V. O conjunto médio de formas de onda mostra a corrente do coletor à medida que a tensão de base é variada de 1 a 7 V. Deve ser óbvio que a corrente do coletor é fortemente limitada em valores baixos de tensão de base. Isso também é visto na forma de onda inferior, que mostra a potência no resistor de carga. Note que, se você definir o ponto de polarização na sua fonte FM para 0 V, você terá um corte severo, pois estará tentando conduzir o transistor em reverso, portanto, o ponto de polarização DC é necessário ao trabalhar com este transistor.

Criando uma FFT

Para criar um gráfico de transformada rápida de Fourier (FFT), basta selecionar uma forma de onda nos resultados da análise transiente, ir ao menu Gráfico e clicar em Criar Gráfico FFT. Os espectros de Fourier abaixo mostram os componentes de frequência na corrente de carga (gráfico superior) e na potência no resistor (gráfico inferior). Esses gráficos foram plotados a partir dos resultados da varredura de parâmetros, embora você também possa criar gráficos com a tensão base definida para valores específicos (você pode definir isso diretamente no esquemático). Podemos ver conteúdo de frequência de ordem superior nos espectros (até a 7ª ordem), embora haja alguma distorção harmônica devido ao recorte nos resultados da análise transiente.

Fazendo Mais com Simulações de Modulação de Frequência

Se desejar, você pode adicionar uma onda a esses gráficos em um novo gráfico para a fonte FM e realizar uma FFT para esta fonte. A partir dos nossos resultados, vemos que usar uma tensão base de 7 V é quase ideal para o sinal com o qual estamos trabalhando, onde a fonte FM tem um viés de CC de 0,25 V e amplitude de 0,25 V em torno deste ponto de viés. Para limpar o sinal, a amplitude do sinal FM deve ser diminuída, ou a tensão base deve ser aumentada.

Você também pode exportar os dados de simulação/FFT para um arquivo Excel, o que permitirá calcular o nível de distorção observado na carga. Como estamos lidando com resultados de varredura, você pode aplicar esses cálculos de distorção harmônica para todos os espectros FFT mostrados acima, fornecendo uma curva que mostra a distorção harmônica como função da tensão base.

O ambiente unificado no Altium Designer permite que você pegue seus dados esquemáticos e realize uma simulação de modulação de frequência ou qualquer outra análise que desejar. Isso é muito melhor do que trabalhar em um programa separado para executar essas análises importantes. O Altium Designer também oferece acesso a um conjunto completo de ferramentas de simulação pós-layout para análise de integridade de sinal.

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