Моделирование частотной модуляции в Altium Designer

При работе с аналоговыми сигналами необходимо обеспечить линейную работу вашего устройства, чтобы предотвратить такие проблемы, как гармонические искажения во время работы. Нелинейные взаимодействия в аналоговых устройствах приводят к искажению, которое портит чистый аналоговый сигнал. Может быть не очевидно, когда аналоговая схема обрезает сигнал, просто глядя на вашу схему или технические описания. Вместо того чтобы вручную прослеживать вашу цепь сигнала, вы можете использовать инструменты моделирования, чтобы получить представление о поведении вашего устройства. Некоторые важные симуляции с синусоидальными сигналами, такие как симуляция модуляции частоты, могут быть легко выполнены с помощью функций предварительного моделирования в Altium Designer^®.

В этом посте я продолжу с предыдущей симуляции и добавлю в схему источник FM с транзистором. Здесь идея заключается в том, чтобы увидеть, какой диапазон входных значений я могу использовать с моим аналоговым источником, чтобы обеспечить работу устройства в линейном диапазоне, то есть когда моя нелинейная схема перестает вести себя линейно.

Это довольно важно при проектировании усилителей и при разработке транзисторных аналоговых интегральных схем. Что касается общего проектирования нелинейных схем и усилителей, нам нужно знать такие вещи, как:

• Уровень насыщения для схем, таких как компараторы, триггеры Шмитта или операционные усилители
• Точка сжатия, которая определяет уровень входной мощности, при котором интермодуляционные продукты становятся заметными и ухудшают ваши сигналы
• Режимы работы для смещенных и несмещенных постоянных токов (например, фотопроводящий или фотовольтаический режим для фотодиодов)
• Нелинейная фильтрация, которая связана с паразитными элементами в модели транзистора, а также с нелинейным поведением всей схемы и полупроводника

Другой важной точкой в этой системе, помимо нелинейности в ваших схемах, является выпрямление и смещение постоянного тока. В схемах усилителей с общим коллектором/эмиттером часто требуется некоторое смещение постоянного тока на сигнале, изменяющемся во времени, чтобы полностью модулировать ток в транзисторе, и полезно найти минимальное смещение постоянного тока, необходимое для обеспечения чистой формы волны, передаваемой на нагрузку. Мы рассмотрим это и покажем, как в общем случае настраивать эти симуляции в данной статье.

Начало работы с симуляцией частотной модуляции

В предыдущем посте мы рассмотрели анализ линии нагрузки для схемы с NPN-транзистором. Основываясь на результатах постоянного тока, мы можем видеть, когда начинает насыщаться ток коллектора, когда напряжение коллектор-эмиттер увеличивается до более высоких уровней. Это позволило нам извлечь линию нагрузки для этой схемы и увидеть, как изменяется пороговое напряжение.

В этой симуляции я покажу вам, как добавить в ваши симуляции источник синусоидальной ЧМ (частотной модуляции) и исследовать, когда происходит ограничение сигнала. В этой симуляции частотной модуляции мы затем можем исследовать Фурье-компоненты и определить, когда генерируются новые гармоники. Затем мы можем изменить симуляцию, изменив постоянное смещение, чтобы увидеть, как ЧМ-сигнал ограничивается, и определить диапазон входных значений, которые приводят к линейному поведению на протяжении соответствующих частотных диапазонов. Это важный аспект проектирования цепи РЧ-сигналов.

Я использовал схему моделирования из своего предыдущего поста, за исключением того, что заменил источник постоянного тока, подключенный к базе, на источник с частотной модуляцией. Доступ к этому источнику моделирования (названному VSFFM) можно получить из библиотеки Simulation Generic Components.IntLib в панели компонентов. В этой схеме я добавил резистор от V_CC к базе транзистора, чтобы приложить некоторое постоянное смещение к V_FM. С помощью этой схемы мы можем регулировать значение R_B, чтобы увидеть, когда мы приложили достаточно смещения DV к V_FM, чтобы убедиться, что мы передаем чистый FM сигнал на R_LOAD.

В этой схеме основная идея заключается в использовании FM волны для модуляции тока в транзисторе. Здесь я использовал конфигурацию с общим коллектором с R_E в качестве резистора, ограничивающего ток. Однако вы также можете использовать конфигурацию с общим коллектором (V_FM на базе) и измерять выход через R_E. Наша цель - определить базовый ток, подаваемый от V_CC, который переведет модулированный ток нагрузки в линейный диапазон. Заметьте, что этот дополнительный ток по сути перемещает вас вверх по линии нагрузки и в активную область, до тех пор, пока V_CC достаточно велик. Однако, если V_FM станет слишком большим, вы можете снова оказаться в области насыщения. При работе V_CC на логических уровнях мы можем с уверенностью ожидать, что это обеспечит чистую FM волну на нагрузке, если мы применим достаточное постоянное смещение.

Параметры FM сигнала

Здесь я установил несущую частоту на 100 МГц, индекс модуляции на 5 и базовую частоту на 10 МГц. Диапазон переменного тока изначально был установлен +/- 1 В без смещения постоянного тока. В этой схеме вы можете использовать результаты вашей нагрузочной линии, чтобы увидеть соответствующий диапазон значений переменного тока, который должен быть приложен к базе для заданного напряжения коллектор-эмиттер. Если вы посмотрите на результаты нагрузочной линии, вы сможете найти диапазон значений напряжения коллектор-эмиттер, которые производят линейный выход; мы хотели бы количественно оценить, подходит ли этот диапазон входных значений для этой схемы. Диалоговое окно свойств для общего источника симуляции в Altium Designer красиво показывает эти параметры и форму волны.

Параметры переходного анализа

Здесь мы хотим провести переходной анализ, так как это покажет поведение системы во временной области. Настройки для переходного анализа можно увидеть в Панели управления симуляцией. Я буду измерять ток коллектора, напряжение коллектор-эмиттер и мощность, видимую нагрузочным резистором (R_LOAD). Просто перейдите в меню "Симуляция" и кликните Редактировать настройки симуляции, чтобы найти настройки перебора параметров и переходного анализа. В настройках переходного анализа (показаны ниже), я установил "По умолчанию отображаемые циклы" равным 10. Это было установлено потому, что отношение частоты несущей к частоте сигнала составляет 10, так что в выходных данных будет виден весь цикл модуляции. Если вы установите это число меньше, вы не сможете увидеть результаты для целого цикла модуляции.

Параметры перебора R_B

Поскольку мы хотим убедиться, что передаем чистый сигнал на R_LOAD, нам нужно отрегулировать значение R_B так, чтобы у нас было достаточно постоянного смещения для получения чистого сигнала, измеряемого через R_LOAD. Для этого нажмите на опцию Настройки в Панели управления симуляцией. Это откроет окно Расширенные опции анализа. Основной момент, на который я хочу здесь сосредоточиться, это опции сканирования. Я применил настройки по декадам, так как мы хотели бы убедиться, что можем быстро просканировать большой диапазон значений для R_B. Как только вы подберете приблизительное значение для R_B, вы можете сузить диапазон для точной настройки значения R_B, чтобы получить наилучшие результаты.

Результаты симуляции модуляции частоты

Чтобы получить результаты, нажмите Запустить на Панели управления симуляцией или нажмите F9 на клавиатуре. До тех пор, пока вы определили модели для всех ваших компонентов в схеме и в сгенерированном списке соединений нет ошибок, на экране появится набор графиков. На изображении ниже я показал набор кривых напряжения и тока для значений R_B, использованных в сканировании параметров.

Результаты интересны. Если мы хотим доставить максимальную мощность к нагрузке, мы должны установить R_B выше 100 Ом, но меньше примерно 316 Ом. Это потому, что мы видим некоторое обрезание при 316 Ом, поэтому мы должны установить значение R_B ниже, чтобы гарантировать сохранение той же высокой мощности переменного и постоянного тока, устраняя при этом обрезание. Вы можете проверить это, рассчитав произведение для каждой пары волн на приведенных выше графиках. Обратите внимание, что если бы мы изменили постоянное значение V_CC, нам бы потребовалось другое требуемое значение для R_B, чтобы получить чистую модуляцию, которую мы хотим на R_LOAD.

Замена V_FM и V_CC

Альтернативная форма схемы, показанной выше, размещает V_FM на месте V_CC. Другими словами, базовое напряжение просто было бы переключателем, который позволяет сигналу FM проходить через транзистор. Если мы сделаем этот переключатель, мы сможем увидеть, почему это полезно только тогда, когда вы также применяете базовое напряжение и высокое смещение постоянного тока к сигналу FM. Такой тип схемы обычно не использовался бы в качестве усилителя для приемника. Вместо этого это может быть использовано с базовым напряжением, действующим как переключатель, который затем позволяет доставить мощный импульс к компоненту нагрузки.

Исходя из предыдущих результатов, я установил диапазон переменного тока на +/- 0,25 В с некоторым фиксированным смещением постоянного тока. В окне выбора параметров я установил основной параметр выбора на базовое напряжение. Я решил изменять базовое напряжение от 1 до 7 В с шагом в 2 В, чтобы вы могли увидеть, как это повлияет на выходные данные. Это позволит мне увидеть ток нагрузки и мощность срезов, а также узнать, когда мы можем видеть чистый импульс. Моя симуляция производит шесть графиков, но я хочу сосредоточиться на трех, показанных на изображении ниже.

Верхний график показывает ток коллектора при базовом напряжении 7 В. Средний набор кривых показывает ток коллектора при изменении базового напряжения от 1 до 7 В. Должно быть очевидно, что ток коллектора сильно обрезается при низких значениях базового напряжения. Это также видно на нижней волне, которая показывает мощность на резисторе нагрузки. Обратите внимание, что если вы установите точку смещения в вашем источнике FM на 0 В, у вас будет серьезное обрезание, поскольку вы будете пытаться управлять транзистором в обратном направлении, таким образом, точка смещения постоянного тока требуется при работе с этим транзистором.

Создание FFT

Чтобы создать график быстрого преобразования Фурье (БПФ), просто выберите форму сигнала в результатах переходного анализа, перейдите в меню "График" и нажмите на "Создать график БПФ". Спектры Фурье ниже показывают частотные компоненты в токе нагрузки (верхний график) и мощность в резисторе (нижний график). Эти графики были построены на основе результатов параметрического анализа, хотя вы также можете создать графики с базовым напряжением, установленным на конкретные значения (это можно настроить непосредственно в схеме). Мы видим содержание высших порядков частот в спектрах (до 7-го порядка), хотя есть некоторое гармоническое искажение из-за ограничения в результатах переходного анализа.

Расширение возможностей симуляций частотной модуляции

Если хотите, вы можете добавить волну на эти графики в новом графике для источника ЧМ и выполнить БПФ для этого источника. Исходя из наших результатов, мы видим, что использование базового напряжения 7 В почти идеально для сигнала, с которым мы работаем, где источник ЧМ имеет постоянное смещение 0,25 В и амплитуду 0,25 В относительно этой точки смещения. Чтобы очистить сигнал, амплитуду сигнала ЧМ следует уменьшить, или базовое напряжение следует увеличить.

Вы также можете экспортировать данные симуляции/БПФ в файл Excel, что позволит вам рассчитать уровень искажений, наблюдаемых на нагрузке. Поскольку мы имеем дело с результатами развертки, вы можете применить эти расчеты гармонических искажений ко всем спектрам БПФ, показанным выше, получив кривую, показывающую гармонические искажения как функцию базового напряжения.

Единая среда в Altium Designer позволяет вам взять ваши схематические данные и выполнить симуляцию частотной модуляции или любой другой анализ, который вам нравится. Это гораздо лучше, чем работать в отдельной программе для выполнения этих важных анализов. Altium Designer также предоставляет вам доступ к полному набору инструментов постпроектировочной симуляции для анализа целостности сигнала.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для проектирования, симуляции и планирования производства. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше.