Phân tích Chức năng Chuyển đổi Bộ lọc và Phân tích Cực-Không trong Altium Designer

Tôi nhớ đã mất hàng giờ để giải quyết các bài toán phân tích mạch trong các lớp điện tử của mình, và tôi đã học cách phân tích mọi loại cấu hình bộ lọc/khuếch đại bằng tay. Các mạch thường có thể giải quyết được với định luật Ohm và các định luật Kirchoff, miễn là trong mạch không có phản hồi. Các mạch cho các ứng dụng nâng cao, như các mạch ghép nối đa băng tần hoặc rộng băng tần cho các thành phần RF, có thể nhanh chóng trở nên khó phân tích bằng tay.

Nhưng khi số lượng tần số cộng hưởng trong một bộ lọc phức tạp vượt quá 2 hoặc 3, vấn đề có thể nhanh chóng trở nên không thể giải quyết được. Tại thời điểm này, vấn đề thường liên quan đến việc phân rã hoặc giải trực tiếp một đa thức bậc 3 hoặc cao hơn, điều này trở nên không thể quản lý bằng tay. Ngay cả khi là một người giỏi toán, tôi cũng không phải là fan của các vấn đề đa thức bậc cao. May mắn thay, khi xử lý các bộ lọc phức tạp, bạn có thể xác định nhiều khía cạnh của hành vi tín hiệu

Phân tích Mạch Bộ Lọc Phức Tạp

Mạch được hiển thị trong sơ đồ dưới đây là một bộ lọc khá phức tạp. Mặc dù bạn có thể không gặp loại bộ lọc này trong thực hành chung, nhưng bạn sẽ gần như gặp phải khi bạn đang thiết kế một mạch khớp cho ăng-ten đa băng tần. Trong mạch này, nguồn (V2) gửi một tín hiệu vào bộ lọc thông băng, và đầu ra từ phần này (điện áp qua tụ điện) được đưa vào bộ lọc chặn băng. Điện áp đầu ra từ bộ lọc được đo qua L3 và C3. Mạch lọc này được xây dựng sử dụng các linh kiện tổng hợp trong thư viện Miscellaneous Devices.IntLib. Nguồn dao động sin (V2) có thể được tìm thấy trong thư viện Simulation Sources.IntLib.

Phân tích đơn giản về bộ lọc này sẽ nói rằng có hai cực quan trọng; một đỉnh trong điện áp đầu ra tại tần số cộng hưởng RLC của bộ lọc thông băng, và một điểm không trong điện áp đầu ra tại tần số cộng hưởng của bộ lọc chặn băng. Trên thực tế, điều này không chính xác. Điều này là do tụ điện C1 và cuộn cảm L1 cũng tham gia vào cộng hưởng với phần chặn băng của mạch này, tạo ra một cấu trúc cộng hưởng phức tạp trong hàm truyền của mạch.

Như chúng ta sẽ thấy, có nhiều hơn hai đỉnh và không điểm trong hàm truyền của bộ lọc. Điều này thường được thực hiện bằng cách chuyển đổi mạch và tín hiệu đầu vào vào miền Laplace. Nói chung, hàm truyền có thể được viết dưới dạng một phân số của các sản phẩm, như được hiển thị trong phương trình dưới đây.

Trong phương trình này, mỗi z là một không điểm trong hàm truyền, tương ứng với một tần số và tốc độ suy giảm nào đó mà mạch không cho phép truyền điện áp đầu ra. Mỗi p là một cực, tương ứng với một đỉnh trong hàm truyền. Trong các mạch tuyến tính không có phản hồi, các cực sẽ xuất hiện dưới dạng các cặp liên hợp ảo hoặc như các cặp liên hợp phức đầy đủ với phần thực âm. Phần thực của một cực sẽ cho bạn biết hành vi chuyển tiếp trong mạch.

Nếu bạn cố gắng tính toán các cộng hưởng bằng cách tính các điểm quan trọng trong điện áp đầu ra, bạn sẽ thấy rằng bạn cần giải một đa thức bậc sáu để xác định các tần số để xác định các điểm quan trọng. Đối với mạch ở trên, bạn vẫn phải giải một đa thức bậc sáu để xác định các cực trong mạch này. Mặc dù vấn đề này về mặt kỹ thuật có thể giải quyết được, nhưng nhanh hơn khi sử dụng một trình mô phỏng SPICE để xác định hành vi của mạch trong miền tần số. Thay vì thực hiện bài tập này bằng tay, chúng ta sẽ giải quyết vấn đề này với một mô phỏng SPICE trong Altium Designer.

Tính Toán Hàm Truyền Của Bộ Lọc

Để tính hàm truyền cho mạch này, tôi đã đặt hai đầu dò (I và V) tại đầu vào và đầu ra. Dòng điện đầu vào chỉ sẽ trải qua một số suy giảm hoặc khuếch đại bất cứ khi nào mạch cộng hưởng tại cộng hưởng băng thông hoặc cộng hưởng băng chặn của nó. Một so sánh của phép đo điện áp đầu ra (đầu dò V) được so sánh với điện áp đầu vào tại một tần số cụ thể để xây dựng một hàm truyền (xem phương trình ở trên).

Để bắt đầu, mở Bảng Điều Khiển Mô Phỏng, và chọn các nguồn và đầu dò đo lường để sử dụng trong phân tích.

Tiếp theo, kích hoạt các phân tích sau:

• Chức Năng Chuyển Đổi: Chọn tên nguồn và nút tham chiếu để sử dụng cho các phép tính chức năng chuyển đổi trong mạng mạch của bạn.
• Phân Tích Cực - Không: Đặt nút đầu vào vào mạng với R1 (NetR1_2) và nút đầu ra (NetC2_1). Đảm bảo để các tùy chọn nút tham chiếu được đặt là “0” vì điều này sẽ thực hiện các phép đo điện áp so với mặt đất. Lưu ý rằng, nếu có một linh kiện nào đó trên mạng được kết nối với mặt đất, thì bạn sẽ cần phải thay đổi các tùy chọn này. Cài đặt của tôi được hiển thị trong hình dưới đây. Hãy xem bài viết này để biết thêm thông tin về cách giải thích kết quả phân tích cực - không.

Chức năng chuyển đổi bộ lọc thường được hiển thị trong một đồ thị Bode. Lưu ý rằng bạn có thể trích xuất chức năng chuyển đổi trực tiếp, hoặc bạn có thể trích xuất chức năng chuyển đổi phức tạp từ một quét AC. Một đồ thị Bode thuận tiện vì nó hiển thị độ lớn và pha của chức năng chuyển đổi trong miền tần số và trong trạng thái ổn định (sau khi tất cả các trạng thái chuyển tiếp đã phai mờ); điều này cho phép bạn thấy cách bộ lọc ảnh hưởng đến cả hai khía cạnh quan trọng của hành vi tín hiệu đầu vào trong một cặp đồ thị.

Phân Tích Kết Quả Chức Năng Chuyển Đổi Bộ Lọc của Bạn

Sau khi bạn hoàn thành các thiết lập trên, bạn đã sẵn sàng để chạy mô phỏng. Nhấn F9 trên bàn phím hoặc click vào Simulate → Run Simulation. Bạn sẽ thấy một số đồ thị trong kết quả quét AC, và một cửa sổ riêng sẽ xuất hiện, hiển thị kết quả phân tích cực-zero. Mạch ở trên chứa 6 cực và 2 zero. Những điều này được hiển thị trong hình dưới đây. Lưu ý rằng đơn vị trên mỗi trục là đơn vị của tần số góc (rad/s). Nếu bạn muốn xem xét hành vi trong kết quả quét AC, thì bạn cần chuyển đổi sang giá trị tần số.

Hai trong số các cực nằm dọc theo phần âm của trục thực (tức là, chúng không có phần ảo). Những giá trị này cho thấy bạn có thể đặt một đầu ra tạm thời từ mạch khi cấp nguồn với một hàm bước hoặc xung. Tuy nhiên, đầu ra sẽ nhanh chóng suy giảm với hai tốc độ suy giảm mũ chồng lên nhau. Các cực khác và hai zero tương ứng với các tần số cụ thể, hành vi của chúng có thể được thấy trong kết quả quét AC.

Biểu đồ dưới đây cho thấy hành vi của mạch này trong miền tần số. Điểm không tại 1.453 MHz và các cực tại 800.7 kHz và 2.885 MHz được thể hiện rõ ràng trong đồ thị Bode (đường cong màu xanh ở đồ thị trên cùng). Đồ thị dưới cùng cho thấy pha của hàm truyền, tuy nhiên, các điểm không thể được thấy trong đồ thị điện áp đầu ra (chồng lên trên đồ thị trên cùng, đường cong màu tím). Đồ thị điện áp đầu ra cho thấy các cực 3 và 4 có lợi ích khoảng ~2.3, và các cực 5 và 6 có lợi ích khoảng ~6.

Thêm Với Phân Tích Dao Động Tạm Thời

Nếu bạn muốn tiếp tục với mô phỏng này, bạn có thể đặt tần số đầu vào vào bất kỳ giá trị nào của các cực được hiển thị trong đồ thị Bode và thực hiện phân tích dao động tạm thời. Mạch này cho thấy một số hành vi dao động tạm thời thú vị do hành vi cộng hưởng phức tạp cho hai phần của mạch lọc này.

Bạn cũng có thể thấy cách mà phản ứng tạm thời trong dòng điện đầu vào và điện áp/công suất cung cấp cho tụ điện thay đổi theo thời gian. Một ví dụ được hiển thị bên dưới. Điểm quan trọng cần nhớ ở đây là đây là một mạch LTI: trở kháng không thay đổi theo thời gian, vì vậy phản ứng tạm thời được thấy ở đây là hành vi tiêu chuẩn trong một hệ thống tuyến tính. Từ biểu đồ này, chúng ta thấy rằng điện áp (và công suất phản kháng) cung cấp cho tải tụ điện sẽ tăng chậm do bản chất phản kháng tổng thể của mạch lọc này. Chúng ta chắc chắn có thể xem xét các điện áp/dòng điện khác tại các điểm khác nhau trong mạch để xem cách hành vi tăng ban đầu trong dòng điện đầu vào xảy ra. Tôi sẽ để việc này như một bài tập cho người đọc.

Công cụ phân tích trước khi lên layout trong Altium Designer® cho phép bạn làm nhiều hơn là chỉ phân tích các hàm chuyển mạch lọc cho các mạch tuyến tính. Bạn có thể kiểm tra khả năng chống nhiễu, hành vi tạm thời, ảnh hưởng của nhiệt độ trong mạch của bạn, và nhiều hơn nữa. Sau đó, bạn có thể chụp sơ đồ của mình như một bản vẽ ban đầu và thiết kế tất cả các khía cạnh của PCB tiếp theo của bạn. Bạn cũng sẽ có một bộ công cụ đầy đủ để tài liệu hóa tất cả các khía cạnh của dự án, quản lý chuỗi cung ứng của bạn, và chuẩn bị các sản phẩm giao hàng cho nhà sản xuất của bạn.

Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ sắp xếp, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.