Mô phỏng Điều chế Tần số trong Altium Designer

Khi làm việc với tín hiệu analog, bạn cần đảm bảo thiết bị của mình hoạt động theo cách tuyến tính để ngăn chặn các vấn đề như méo tín hiệu hài hòa trong quá trình hoạt động. Sự tương tác phi tuyến trong các thiết bị analog dẫn đến sự méo mó tín hiệu, làm hỏng tín hiệu analog sạch. Có thể bạn sẽ không nhận ra một mạch analog bị cắt ngang chỉ bằng cách nhìn vào sơ đồ mạch hoặc bảng dữ liệu của bạn. Thay vì theo dõi chuỗi tín hiệu của bạn một cách thủ công, bạn có thể sử dụng các công cụ mô phỏng để hiểu rõ hơn về hành vi của thiết bị. Một số mô phỏng quan trọng với tín hiệu hình sin, như mô phỏng điều chế tần số, có thể dễ dàng thực hiện với các tính năng mô phỏng trước khi bố trí trong Altium Designer^®.

Trong bài viết này, tôi sẽ tiếp tục từ một mô phỏng trước đó và đưa một nguồn FM vào một mạch với một transistor. Ở đây, ý tưởng là xem khoảng giá trị đầu vào nào tôi có thể sử dụng với nguồn analog của mình để đảm bảo rằng thiết bị hoạt động trong phạm vi tuyến tính, tức là khi mạch phi tuyến của tôi ngừng hoạt động theo cách tuyến tính.

Điều này khá quan trọng trong thiết kế bộ khuếch đại và khi thiết kế mạch tích hợp analog dựa trên transistor. Liên quan đến thiết kế mạch phi tuyến và bộ khuếch đại nói chung, chúng ta cần biết những điều như:

• Mức bão hòa cho các mạch như bộ so sánh, kích Schmitt, hoặc op-amp
• Điểm nén, xác định mức công suất đầu vào nơi sản phẩm giao thoa trở nên nổi bật và làm suy giảm tín hiệu của bạn
• Các chế độ hoạt động cho các thành phần DC có và không có sự thiên vị (ví dụ, chế độ quang dẫn hoặc quang điện cho photodiode)
• Lọc phi tuyến, liên quan đến các thành phần nhiễu trong mô hình transistor cũng như hành vi phi tuyến của toàn bộ mạch và bán dẫn

Điểm quan trọng khác với hệ thống này, ngoài tính phi tuyến trong mạch của bạn, là chỉnh lưu và thiên vị DC. Trong các mạch khuếch đại chung cực/emitter, bạn thường cần một số thiên vị DC trên tín hiệu biến thiên theo thời gian để hoàn toàn điều chế dòng trong transistor, và việc tìm ra thiên vị DC tối thiểu cần thiết để đảm bảo một sóng dạng sạch được truyền đến tải là hữu ích. Chúng tôi sẽ điều tra điều này và chỉ ra cách thiết lập các mô phỏng này nói chung trong bài viết này.

Bắt đầu với Mô phỏng Điều chế Tần số

Trong bài viết trước, chúng tôi đã xem xét phân tích đường tải cho một mạch với transistor NPN. Dựa vào kết quả quét DC, chúng ta có thể thấy dòng điện thu thập bắt đầu bão hòa khi điện áp thu-phát được tăng lên các mức cao hơn. Điều này cho phép chúng ta rút ra đường tải cho mạch này, và xem cách điện áp ngưỡng thay đổi.

Trong mô phỏng này, tôi sẽ chỉ bạn cách đưa một nguồn FM tuần hoàn vào mô phỏng của mình và kiểm tra khi nào xảy ra hiện tượng cắt. Trong mô phỏng điều chế tần số này, chúng ta có thể sau đó xem xét các thành phần Fourier và xác định khi nào các hài mới được tạo ra. Sau đó, chúng ta có thể chỉnh sửa mô phỏng bằng cách thay đổi độ lệch DC để xem tín hiệu FM bị cắt như thế nào và xác định phạm vi giá trị đầu vào dẫn đến hành vi tuyến tính xuyên suốt các băng tần liên quan. Đây là một khía cạnh quan trọng của thiết kế chuỗi tín hiệu RF.

Tôi đã sử dụng lại sơ đồ mô phỏng từ bài viết trước của mình, với ngoại lệ là tôi đã thay nguồn DC mà cực base nhìn thấy bằng một nguồn điều chế tần số. Bạn có thể truy cập nguồn mô phỏng này (được đặt tên là VSFFM) từ thư viện Simulation Generic Components.IntLib trong Bảng linh kiện. Trong sơ đồ này, tôi đã thêm một điện trở từ V_CC đến cực base của transistor để áp dụng một số điện áp DC lệch cho V_FM. Với sơ đồ này, chúng ta có thể điều chỉnh giá trị của R_B để xem khi nào chúng ta đã áp dụng đủ điện áp lệch DV cho V_FM để đảm bảo chúng ta truyền một tín hiệu FM sạch đến R_LOAD.

Trong sơ đồ này, ý tưởng cơ bản là sử dụng sóng FM để điều chế dòng điện trong transistor. Tại đây, tôi đã sử dụng cấu hình thu nhận chung với R_E là điện trở giới hạn dòng. Tuy nhiên, bạn cũng có thể sử dụng cấu hình thu nhận chung (V_FM tại cực base) và đo đầu ra qua R_E. Mục tiêu của chúng ta là xác định dòng cơ bản được cung cấp bởi V_CC sẽ đưa dòng tải điều chế vào phạm vi tuyến tính. Lưu ý rằng dòng điện bổ sung này cơ bản chuyển bạn lên đường tải và vào vùng hoạt động miễn là V_CC đủ lớn. Tuy nhiên, nếu V_FM quá lớn, bạn có thể kết thúc trở lại trong vùng bão hòa. Với V_CC hoạt động ở mức logic, chúng ta có thể hợp lý kỳ vọng rằng điều này sẽ tạo ra một sóng FM sạch tại tải miễn là chúng ta áp dụng đủ độ lệch DC.

Tham số Tín hiệu FM

Ở đây, tôi đã thiết lập tần số mang là 100 MHz, chỉ số điều chế là 5, và tần số cơ bản là 10 MHz. Dải AC ban đầu được thiết lập là +/- 1 V mà không có độ lệch DC. Trong mạch này, bạn có thể sử dụng kết quả đường tải của mình để xem phạm vi giá trị AC thích hợp nào nên được áp dụng cho cực cơ sở cho một điện áp thu thập-phát xạ nhất định. Nếu bạn xem xét kết quả đường tải, bạn sẽ có thể tìm thấy phạm vi các giá trị điện áp thu thập-phát xạ tạo ra một đầu ra tuyến tính; chúng tôi muốn định lượng xem phạm vi đầu vào này có phù hợp với mạch này không. Hộp thoại Thuộc tính cho nguồn mô phỏng chung trong Altium Designer hiển thị rõ ràng các tham số này và một hình sóng.

Tham Số Phân Tích Chuyển Tiếp

Tại đây, chúng tôi muốn thực hiện phân tích chuyển tiếp vì điều này sẽ cho thấy hành vi của hệ thống trong miền thời gian. Cài đặt cho phân tích chuyển tiếp có thể được thấy trong Bảng Điều Khiển Mô Phỏng. Tôi sẽ đo dòng điện thu thập, điện áp thu thập-phát xạ, và công suất nhìn thấy bởi điện trở tải (R_LOAD). Chỉ cần vào menu “Simulate” và nhấp vào Edit Simulation Setup để tìm cài đặt quét tham số và cài đặt phân tích chuyển tiếp. Trong cài đặt phân tích chuyển tiếp (được hiển thị bên dưới), tôi đã thiết lập “Default Cycles Displayed” là 10. Điều này được thiết lập vì tỷ lệ giữa tần số mang và tần số tín hiệu là 10, vì vậy một chu kỳ điều chế hoàn chỉnh sẽ được thấy trong kết quả đầu ra. Nếu bạn thiết lập con số này thấp hơn, bạn sẽ không thể thấy kết quả cho một chu kỳ điều chế hoàn chỉnh.

Tham Số Quét R_B

Vì chúng tôi muốn đảm bảo rằng chúng tôi đang truyền một tín hiệu sạch đến R_LOAD, chúng tôi cần điều chỉnh giá trị của R_B sao cho chúng tôi có đủ DC offset để tạo ra một tín hiệu sạch khi đo qua R_LOAD. Để làm điều này, nhấp vào tùy chọn Cài đặt trong Bảng điều khiển Mô phỏng. Điều này sẽ mở cửa sổ Tùy chọn Phân tích Nâng cao. Điểm chính mà tôi muốn tập trung ở đây là các tùy chọn quét. Tôi đã áp dụng các cài đặt theo thập kỷ vì chúng tôi muốn đảm bảo chúng tôi có thể nhanh chóng quét qua một phạm vi lớn các giá trị cho R_B. Một khi bạn đến được một giá trị sơ bộ cho R_B, bạn có thể thu hẹp phạm vi để tinh chỉnh giá trị của R_B để đạt được kết quả tốt nhất.

Kết quả Mô phỏng Điều chế Tần số

Để nhận kết quả, nhấp vào Chạy trên Bảng điều khiển Mô phỏng, hoặc nhấn F9 trên bàn phím của bạn. Miễn là bạn đã định nghĩa mô hình cho tất cả các linh kiện trong sơ đồ của bạn và không có lỗi trong netlist được tạo ra, bạn sẽ thấy một tập hợp các đồ thị xuất hiện trên màn hình. Trong hình dưới đây, tôi đã hiển thị một tập hợp các đường cong điện áp và dòng điện cho các giá trị của R_B được sử dụng trong quét tham số.

Kết quả thật thú vị. Nếu chúng ta muốn cung cấp công suất tối đa cho tải, chúng ta nên đặt R_B lớn hơn 100 Ohm nhưng nhỏ hơn khoảng 316 Ohm. Điều này là bởi vì chúng ta thấy một số hiện tượng cắt ngọn ở 316 Ohm, vì vậy chúng ta nên đặt giá trị của R_B thấp hơn để đảm bảo chúng ta giữ được công suất AC và DC cao như nhau trong khi loại bỏ cắt ngọn. Bạn có thể xác minh điều này bằng cách tính toán sản phẩm cho mỗi cặp sóng trong các biểu đồ trên. Lưu ý rằng, nếu chúng ta thay đổi giá trị DC của V_CC, chúng ta sẽ có một giá trị yêu cầu khác cho R_B để tạo ra sự điều chế sạch sẽ mà chúng ta muốn tại R_LOAD.

Hoán đổi V_FM và V_CC

Hình thức thay thế của sơ đồ được hiển thị ở trên đặt V_FM tại vị trí của V_CC. Nói cách khác, điện áp cơ sở chỉ đơn giản là một công tắc cho phép tín hiệu FM đi qua transistor. Nếu chúng ta thực hiện sự chuyển đổi này, chúng ta sẽ có thể thấy tại sao điều này chỉ hữu ích khi bạn cũng áp dụng điện áp cơ sở và độ lệch DC cao cho tín hiệu FM. Loại mạch này thường không được sử dụng làm bộ khuếch đại cho một bộ thu. Thay vào đó, điều này có thể được sử dụng với điện áp cơ sở hoạt động như một công tắc, sau đó cho phép một xung công suất cao được cung cấp cho một thành phần tải.

Dựa trên kết quả trước đó, tôi đã thiết lập phạm vi AC là +/- 0,25 V với một số điểm lệch DC cố định. Trong cửa sổ quét tham số, tôi đã thiết lập tham số quét chính là điện áp cơ sở. Tôi đã chọn thay đổi điện áp cơ sở từ 1 đến 7 V với bước nhảy là 2 V để bạn có thể thấy điều này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến đầu ra. Điều này sẽ cho phép tôi xem dòng tải và các điểm cắt công suất và biết khi nào chúng ta có thể thấy một xung sạch. Mô phỏng của tôi tạo ra một bộ sáu biểu đồ, nhưng tôi muốn tập trung vào ba biểu đồ được hiển thị trong hình dưới đây.

Biểu đồ trên cùng hiển thị dòng thu thập ở điện áp cơ sở 7 V. Nhóm sóng ở giữa hiển thị dòng thu thập khi điện áp cơ sở được quét từ 1 đến 7 V. Rõ ràng là dòng thu thập bị cắt mạnh ở các giá trị điện áp cơ sở thấp. Điều này cũng được thấy trong sóng dưới cùng, hiển thị công suất tại điện trở tải. Lưu ý rằng, nếu bạn thiết lập điểm cân bằng trong nguồn FM của bạn là 0 V, bạn sẽ gặp phải cắt mạnh vì bạn sẽ cố gắng điều khiển transistor theo chiều ngược lại, do đó điểm cân bằng DC là cần thiết khi làm việc với transistor này.

Tạo một FFT

Để tạo biểu đồ biến đổi Fourier nhanh (FFT), chỉ cần chọn một dạng sóng trong kết quả phân tích tạm thời, đi tới menu Biểu đồ và nhấp vào Tạo Biểu đồ FFT. Các phổ Fourier dưới đây hiển thị các thành phần tần số trong dòng tải (biểu đồ trên) và công suất trong điện trở (biểu đồ dưới). Những đồ thị này được vẽ từ kết quả quét tham số, mặc dù bạn cũng có thể tạo các biểu đồ với điện áp cơ bản được thiết lập ở các giá trị cụ thể (bạn có thể thiết lập điều này trực tiếp trong sơ đồ). Chúng ta có thể thấy nội dung tần số bậc cao hơn trong phổ (lên đến bậc 7), mặc dù có một số méo hài do cắt trong kết quả phân tích tạm thời.

Làm Nhiều Hơn Với Các Mô Phỏng Điều Chế Tần Số

Nếu bạn muốn, bạn có thể thêm một sóng vào các biểu đồ này trong một đồ thị mới cho nguồn FM, và thực hiện FFT cho nguồn này. Từ kết quả của chúng tôi, chúng tôi thấy rằng sử dụng một điện áp cơ bản 7 V gần như lý tưởng cho tín hiệu mà chúng tôi đang làm việc, nơi nguồn FM có một độ lệch DC 0,25 V và biên độ 0,25 V xung quanh điểm lệch này. Để làm sạch tín hiệu, biên độ của tín hiệu FM nên được giảm, hoặc điện áp cơ bản nên được tăng lên.

Bạn cũng có thể xuất dữ liệu mô phỏng/FFT sang một tệp Excel, điều này sẽ cho phép bạn tính toán mức độ méo dạng nhìn thấy tại tải. Vì chúng ta đang xử lý kết quả quét, bạn có thể áp dụng các phép tính méo dạng hài hòa cho tất cả các phổ FFT được hiển thị ở trên, cung cấp cho bạn một đường cong hiển thị méo dạng hài hòa như một hàm của điện áp cơ bản.

Môi trường thống nhất trong Altium Designer cho phép bạn lấy dữ liệu sơ đồ và thực hiện mô phỏng điều chế tần số hoặc bất kỳ phân tích nào bạn thích. Điều này tốt hơn nhiều so với việc làm việc trong một chương trình riêng biệt để thực hiện những phân tích quan trọng này. Altium Designer cũng cung cấp cho bạn quyền truy cập vào một bộ công cụ mô phỏng sau bố trí đầy đủ cho phân tích tính toàn vẹn tín hiệu.

Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, 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.