UTILISATION DU LOGICIEL ANSOFT DESIGNER V3

Francis RODES

Eliane GARNIER

SOMMAIRE

1 INTRODUCTION A LA SCHEMATIQUE, ET LA SIMULATION LINEAIRE, PROCEDURE D’UTILISATION DE L’OUTIL : SMITH TOOL. 5

1.1 INTRODUCTION.. 5

1.2 PROCEDURE D’ACCES ET DE CONFIGURATION D’ANSOFT DESIGNER. 5

1.2.1 CREATION D’UN REPERTOIRE. 5

1.2.2 INSERTION D’UN PROJET, ET SELECTION D’UN ¨Technology File¨ 6

1.2.3 CHARGEMENT DES LIBRAIRIES DE COMPOSANTS. 6

1.3 DESSIN D’UN SCHEMA SIMULABLE. 7

1.3.1 Placement des ports d’entrée (1) et de sortie (2) 7

1.3.2 Paramétrage des ports d’entrée (1) et de sortie (2) 7

1.3.3 Placement des composants L et C. 8

1.3.4 Interconnexion des composants en tenant compte de la longueur des pistes de liaisons. 9

1.3.5 Interconnexion des composants sans tenir compte de la longueur des pistes de liaisons. 10

1.3.6 Visualisation du ¨layout¨ généré automatiquement 11

1.3.7 Vérification du schéma. 13

1.3.8 VERIFICATION DE LA ¨NETLIST¨ GENEREE. 13

1.3.9 Copier / coller du schéma dans le traitement de texte Word. 13

1.4 CONFIGURATION ET LANCEMENT D’UNE ANALYSE LINEAIRE. 14

1.4.1 CONFIGURATION D’UNE ANALYSE LINEAIRE. 14

1.4.2 LANCEMENT D’UNE ANALYSE LINEAIRE. 15

1.5 VISUALISATION DES RESULTATS DE L’ANALYSE LINEAIRE DANS L’ABAQUE DE SMITH 15

1.5.1. 15

1.5.2. 15

1.6 UTILISATION DE L’OUTIL SMITH TOOL. 16

1.6.1 APPEL DE L’OUTIL SMITH TOOL. 16

1.6.2 CONFIGURATION DE L’OUTIL SMITH TOOL. 16

1.6.3 CONCEPTION DU RESEAU D’ADAPTATION.. 17

2 CONCEPTION ET SIMULATION LINEAIRE D’UN LNA (Low Noise Amplifier) 21

2.1 DESSIN DU SCHEMA ELECTRIQUE. 21

2.2 Introduction. 21

2.3 Procédure générale de recherche et de placement d’un transistor modélisé par ses paramètres S 21

2.3.1 Identification et recherche des références du fichier de paramètre S du transistor 21

2.3.2 Placement du transistor sous Ansoft Designer: 22

2.4 CONFIGURATION ET LANCEMENT D’UNE ANALYSE LINEAIRE. 22

2.5 VISUALISATION DES RESULTATS DE L’ANALYSE LINEAIRE DANS L’ABAQUE DE SMITH 23

2.6 UTILISATION DE L’OUTIL SMITH TOOL. 23

2.6.1 APPEL DE L’OUTIL SMITH TOOL. 23

2.6.2 CONFIGURATION DE L’OUTIL SMITH TOOL. 23

2.6.3 Conception du réseau d’adaptation d’entrée. 26

2.6.4 Conception du réseau d’adaptation de sortie. 28

2.7 CONSTRUCTION DE L’AMPLIFICATEUR.. 29

2.8 SIMULATION DE L’AMPLIFICATEUR.. 30

3 SIMULATION NON LINEAIRE DE TYPE ¨HARMONIC BALANCE¨ 31

3.1 Introduction. 31

3.2 Dessin du schéma du circuit, opérations préliminaires à effectuer 31

3.2.1 Dessin du schéma du circuit 31

3.2.2 Placement et connexion des générateurs de tensions. 32

3.2.3 Remplacement des éléments non linéaires décrits par des fichiers de paramètres S linéaires par des modèles non linéaires. 33

3.3 Phase 2: Vérification de la polarisation. 33

3.4 Phase 3 : Définition du signal d’entrée pour la simulation non linéaire. 34

3.4.1 Définition d’une : ¨RF 1 tone Analysis¨. 34

3.4.2 Définition d’un : Power Sweep. 34

3.5 Phase 4 : Lancement de l’analyse : Harmonic Balance Analysis. 35

3.6 Phase 5 : Affichage des résultats. 35

3.6.1 Affichage de la puissance du fondamental, et des harmoniques 2 et 3 en sortie sur le port 2 35

3.7 Phase 6 : Détermination de l’impédance d’entrée pour la puissance nécessaire à l’entrée du circuit non linéaire (doubleur de fréquence). 37

3.8 Vérification de l’accord du circuit de sortie. 39

3.8.1 Définition d’une puissance d’entée constante. 39

3.8.2 Définition du balayage en fréquence. 39

3.8.3 Lancement de l’analyse : Harmonic Balance Analysis. 40

3.8.4 Affichage des résultats. 40

4 SIMULATION DE TYPE ¨HARMONIC BALANCE¨ D’UN OSCILLATEUR.. 42

4.1 Introduction. 42

4.2 Phase 1 : Dessin du schéma de l’oscillateur 42

4.2.1 Dessin du schéma. 42

Remarque importante relative à ce schéma : 42

Le port 1 doit être configuré avec une impédance de valeur : 42

Re = 50Ω, Im = 0. 42

4.2.2 Placement et connexion des sondes de tension. 42

4.3 Phase 1: Vérification de la polarisation. 43

4.4 Phase 2: HB Resonant Frequency Search. 44

4.4.1 Configuration de ¨HB Resonant Frequency Search¨ 44

4.4.1.1 1. 44

4.4.1.2 1. 45

4.4.2 Lancement et affichage des résultats de ¨HB Resonant Frequency Search¨ 45

1. 45

4.5 Phase 3 : Harmonic Balance Oscillator 46

4.5.1 Configuration de ¨ Harmonic Balance Oscillator ¨ 46

4.5.1.2 1. 46

4.5.2 Lancement de l’analyse Harmonic Balance Oscillator 46

4.6 Phase 4 :Affichage des résultats de ¨ Harmonic Balance Oscillator¨ 46

4.6.1 Affichage d’un spectre de puissance (sur le port 1) 47

4.6.2 Affichage de chronogrammes de tensions et de courants (V_CE, V_BE, I_C) 47

4.7 Détermination de l’impédance de charge optimale avec l’outil Load Pull Analysis. 50

4.7.1 Avant propos. 50

4.7.2 Vérification et modification du schéma de l’oscillateur 50

4.7.3 Lancement d’une simulation non linéaire Harmonic Balance (Oscillator) 51

4.7.4 Configuration du Load Pull Analysis. 52

4.7.5 Création du Load Pull Analysis. 53

4.7.5.2 1. 53

4.7.6 LANCEMENT D’UNE ANALYSE LOAD PULL. 53

4.7.7 VISUALISATION DES RESULTATS DE L’ANALYSE LOAD PULL DANS L’ABAQUE DE SMITH 54

1 INTRODUCTION A LA SCHEMATIQUE, ET LA SIMULATION LINEAIRE, PROCEDURE D’UTILISATION DE L’OUTIL : SMITH TOOL

1.1 INTRODUCTION

Le logiciel ANSOFT DESIGNER ne permet pas un accès direct à l’outil SMITH TOOL :

Pour accéder à SMITH TOOL, il faut au minimum effectuer les opérations suivantes :

- Création d’un répertoire

- Création d’un `Projet’

- Dessin d’un schéma simulable comportant au minimum 2 ports (1 entrée + 1 sortie).

- Lancement d’une analyse linéaire.

- Visualisation des résultats de l’analyse en coordonnées polaires.

Ce n’est qu’à ce niveau qu’il est possible d’appeler et de configurer l’outil SMITH TOOL, puis de concevoir le réseau d’adaptation d’impédance.

Les opérations à effectuer pour accéder à SMITH TOOL et l’utiliser sont décrites dans les paragraphes suivants. Ces diverses opérations seront illustrées par l’exemple d’adaptation suivant :

Adapter à 100 MHz un générateur d’impédance de sortie Zs = 100Ω + j 126Ω à une charge ZL : RL = 1000Ω // CL = 2pF, au moyen d’un simple réseau en L : Ls / Cp.

1.2 PROCEDURE D’ACCES ET DE CONFIGURATION D’ANSOFT DESIGNER.

1.2.1 CREATION D’UN REPERTOIRE

Lors de la 1^ière utilisation, le logiciel ANSOFT DESIGNER propose par défaut le répertoire de travail dans : C:\Program Files\Ansoft\DesignerSV.

Il est préférable de proposer un nouveau répertoire personnel pour sauvegarder le projet (situé hors de Program Files) :

1 click (G) sur le bouton du ¨Browser¨ (comportant 3 points …), Puis sélectionner par exemple :

Mes documents\ Ansoft Designer

Ou,

C:\Users\ Ansoft Designer

Etc…

1.2.2 INSERTION D’UN PROJET, ET SELECTION D’UN ¨Technology File¨

1.2.2.1 Lancer le logiciel ANSOFT DESIGNER soit par 2 clicks (G) sur l’icône ¨Ansoft Designer¨, soit avec le menu : Démarrer > Programmes > Ansoft > Designer > Ansoft Designer (SV). => Ouverture de la fenêtre ANSOFT DESIGNER.

1.2.2.2 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Project 1¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis, 1 click (D), sélectionner : ¨Insert¨ > ¨Insert Circuit Design¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Choose Layout Technology¨.

Remarque importante : Pour pouvoir ouvrir la feuille de dessin, on doit obligatoirement préciser la technologie du circuit : Substrat isolant, conducteurs, nombre de couches, etc..

Si le support envisagé est le circuit imprimé standard en verre époxy double face (disponible en stock à l’ENSEIRB), sélectionner :

MS – FR4 (Er=4.4) 0.060 inch, 0.5 oz copper

1.2.2.3 1 click (G) sur Open => Ouverture de la fenêtre d’édition de schéma, intitulée par défaut : Projet1 – Circuit1 - Schematic.

1.2.2.4 On peut vérifier en détail la technologie du substrat du circuit en en ouvrant successivement : ¨Project 1¨> Circuit 1 > data, puis 1click (G) sur l’icône ¨FR4¨=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Substrate Definition¨ montrant la vue en coupe détaillée du substrat.

1.2.2.5 On peut donner un nom plus explicite que ¨ Project1¨, en plaçant la flèche sur l’icône du dossier ¨Project 1¨, puis, 1 click (D) > Save as → entrer : ¨smith_match¨ (par exemple).

1.2.3 CHARGEMENT DES LIBRAIRIES DE COMPOSANTS

A l’initialisation, le logiciel Ansoft Designer ne charge pas toutes les librairies de composants disponibles. Il est donc nécessaire de vérifier quelles sont les librairies chargées par défaut, et éventuellement procéder au chargement d’autres librairies (indispensables pour le projet).

La librairie qui est particulièrement intéressante à charger est la librairie : ¨Vendors Elements¨.

Pour la charger, il faut effectuer les opérations suivantes :

1.2.3.1 1 click (G) sur Tools > Configure Libraries… => Ouverture de la boite de dialogue intitulée: Configure Design Libraries.

1.2.3.2 Dans la case intitulée: ¨Available Libraries¨, sélectionner : ¨Vendors elements¨.

1.2.3.3 1 click (G) sur le bouton : [>>] => Transfert de la librairie ¨Vendors elements¨ dans la case intitulée: ¨Configured Libraries¨.

1.2.3.4 1 click (G) sur ¨OK¨.

1.3 DESSIN D’UN SCHEMA SIMULABLE

Si l’on désire utiliser uniquement SMITH TOOL, il suffit de dessiner le schéma simulable le plus simple possible (AVEC AU MINIMUM 2 PORTS). A titre d’exemple, on propose de dessiner le réseau d’adaptation en L entre 2 ports d’entrée et de sortie, représenté sur la figure 1.1.

1.3.1 Placement des ports d’entrée (1) et de sortie (2)

1.3.1.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône intitulé : ¨Interface Port¨ : 2° Icône en partant de la droite de la barre d’outils supérieure (en forme de losange), puis, 1 click (G).

1.3.1.2 Avec la souris, placer le 1^ier symbole ¨ Interface Port¨ dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le 1^ier port est positionné dans la feuille de dessin.

1.3.1.3 Procéder de même pour le port 2.

1.3.2 Paramétrage des ports d’entrée (1) et de sortie (2)

1.3.2.1 2 clicks (G) sur le port à paramétrer => Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨Port Definition¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨Port Definition¨ comme suit :

- Dans la case ¨Port Name¨ modifier éventuellement le nom ¨Port1¨ ou ¨Port2¨ attribué par défaut.

- Dans les cases ¨termination¨, laisser la valeur par défaut : Re : ¨50¨, Im : ¨0¨, et ¨Impedance¨, ou éventuellement procéder aux modifications désirées.

1.3.2.2 - 1 click (G) sur ¨OK¨ => Placement du port repéré par son nom dans la feuille de dessin.

1.3.3 Placement des composants L et C.

1.3.3.1 1 click (G) sur l’onglet : ¨Components¨. (A gauche et au milieu de l’écran) => La liste des librairies de composants présélectionnés apparaît au dessus de l’onglet : ¨Components¨.

A ce niveau on peut choisir pour les composants L et C, soit des modèles théoriques parfaits dont les pertes sont éventuellement paramétrables par l’utilisateurs (Librairie : ¨Circuits Elements / Lumped¨), soit des modèles plus proches de la réalité, modélisés par les fabricants de composants (Librairie : ¨Vendors Elements¨).

Supposons par exemple que l’on désire faire des simulations les plus proches possibles de la réalité, et que l’on prévoit d’utiliser des condensateurs chips en boîtier 0603 fabriqués par Philips, et des self inductances chips en boîtier 1210 fabriqués par Coilcraft. Dans ces conditions :

1.3.3.2 Condensateur :

- Ouvrir successivement les dossiers : ¨¨Vendors Elements¨ / ¨Capacitors¨ / Philips, puis 2 clicks (G) sur : ¨philips_smc_0603¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨

- 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ =>

- Avec la souris, placer le condensateur dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le condensateur est positionné dans la feuille de dessin.

- Pour modifier la valeur de la capacité : 2 clicks (G) sur le symbole du condensateur => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Properties¨. Entrer la valeur désirée (en pF) dans l’onglet : Parameter Values, (Ligne C), puis, 1 click (G) sur ¨OK¨

1.3.3.3 Self inductance:

- Ouvrir successivement les dossiers : ¨Vendors Elements¨ / ¨Inductors¨ /Coilcraft, puis 2 clicks (G) sur : ¨coilcraft1008cs¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨

- 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ =>

- Avec la souris, placer la self inductance dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> La self inductance est positionnée dans la feuille de dessin.

- Pour modifier la valeur de la self inductance: 2 clicks (G) sur le symbole => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Properties¨. Entrer la valeur désirée (en nH) dans l’onglet : ¨Parameter Values¨, (Ligne L), puis, 1 click (G) sur ¨OK¨.

NOTA : Dès qu’un composant est placé dans la feuille de dessin, on peut, changer sa position, son orientation, le copier, le supprimer, etc.. en procédant comme suit :

1. Il faut tout d’abord sélectionner le composant avec la souris en positionnant la flèche sur son symbole, puis 1 click (G) => Le composant sélectionné doit passer en couleur rouge.

2. Pour accéder aux commandes de déplacement, orientation, etc …on peut employer l’une des 2 méthodes suivantes :

1. Positionner la flèche dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) => un menu apparaît, dans lequel il suffit de sélectionner la commande désirée.

2. Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨draw¨ puis, 1 click (G), => un menu (identique au précédent) apparaît, dans lequel il suffit de sélectionner la commande désirée.

1.3.3.4 Placement du symbole de terre (Ground).

- Avec la souris, amener la flèche sur l’icône: ¨Ground¨ : 3° Icône en partant de la droite de la barre d’outils supérieure, puis, 1 click (G).

- Avec la souris, placer le symbole ¨Ground¨ dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le symbole ¨Ground¨ est positionné dans la feuille de dessin.

1.3.4 Interconnexion des composants en tenant compte de la longueur des pistes de liaisons.

1.3.4.1 Introduction

Pour tenir compte de la longueur des pistes de liaisons, les composants doivent être interconnectés par des ¨microstrip lines et des microstrip tees¨ dont les largeurs et longueurs doivent être précisées. Les procédures de placement / paramétrage / connexion des ¨microstrip lines et des microstrip tees¨ sont détaillées ci-dessous :

1.3.4.2 Placement / paramétrage / connexion des ¨microstrip lines ¨

- Ouvrir successivement les dossiers : ¨Circuits Elements¨ / ¨Microstrip ¨ / Transmission Lines puis 2 clicks (G) sur : ¨ MSTRL : MS Trans. Line, Physical Length ¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨

- 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ =>

- Avec la souris, placer le ¨microstrip line¨dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le ¨microstrip line¨ est positionné dans la feuille de dessin.

Remarque importante: En faisant coïncider les extrémités du ¨microstrip line¨ avec les extrémités des composants à interconnecter, les liaisons électriques sont automatiquement assurées. Si la coïncidence est difficile voire impossible à obtenir, il suffit de compléter les liaisons avec le mode d’interconnexion à longueur physique nulle présenté au § 1.3.5.

- Pour paramétrer les dimensions du ¨microstrip line¨, la capacité : 2 clicks (G) sur le symbole du ¨microstrip line¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Properties¨.

Entrer dans l’onglet : Parameter Values, colonne ¨Value¨, les valeurs de la largeur (W), et de la longueur (P) précisées (en mm) sur la figure 1.1, puis, 1 click (G) sur ¨OK¨.

1.3.4.3 Placement / paramétrage / connexion des ¨microstrip tees ¨

- Ouvrir successivement les dossiers : ¨Circuits Elements¨ / ¨Microstrip / General Components ¨ puis 2 clicks (G) sur : ¨ MSTEEE : MS Tee- Ref. Planes at Edge ¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨

- 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ =>

- Avec la souris, placer le ¨microstrip tee¨dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le ¨microstrip tee¨ est positionné dans la feuille de dessin.

Remarque importante: En faisant coïncider les extrémités du ¨microstrip tee¨ avec les extrémités des composants à interconnecter, les liaisons électriques sont automatiquement assurées. Si la coïncidence est difficile voire impossible à obtenir, il suffit de compléter les liaisons avec le mode d’interconnexion à longueur physique nulle présenté au § 1.3.5.

- Pour paramétrer les dimensions du ¨microstrip tee¨: 2 clicks (G) sur le symbole du ¨microstrip tee¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Properties¨.

Entrer dans l’onglet : Parameter Values, colonne ¨Value¨, les valeurs des 3 largeurs (W1, W2, W3) précisées (en mm) sur la figure 1.1, puis, 1 click (G) sur ¨OK¨.

1.3.5 Interconnexion des composants sans tenir compte de la longueur des pistes de liaisons.

- Avec la souris, amener la flèche sur la pin du 1^ier composant à interconnecter => La flèche se transforme en ¨X¨ .

1 click (G) bref. (Le maintien de la touche Gauche enfoncée, déplace le composant)

- Avec la souris, déplacer la flèche sur la pin du 2ième composant à interconnecter, puis, 1 click (G) => Création d’une interconnexion entre les 2 composants. (On peut répéter cette opération pour interconnecter d’autres composants sur la même équipotentielle).

- Pour terminer une ou plusieurs interconnexions : 1 click (D).

Remarque très importante :

Avec ce mode d’interconnexion, le simulateur considère que la longueur physique des liaisons est nulle Þ la longueur des traits de liaisons entre composants dessinés sur le schéma peuvent donc avoir une longueur quelconque.

Figure 1.1 : Schéma du réseau d’adaptation en L entre 2 ports d’entrée et de sortie.

Remarque :

Pour une meilleure précision, on peut remplacer le symbole ¨Ground¨ par une traversée de masse ou : ¨Via¨, qui tient compte de l’épaisseur du substrat, et du diamètre du trou métallisé.

Pour insérer un ¨Via¨, ouvrir successivement les dossiers : ¨Circuits Elements¨ / ¨Microstrip ¨ / General components, puis 2 clicks (G) sur : ¨ MSVIAP : MS Via Pad ¨ => Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Merge Layers¨

- 1 click (G) sur le bouton : ¨Merge Layers¨ =>

- Avec la souris, placer le ¨MS Via Pad¨dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) pour sélectionner ¨Place and Finish¨=> Le ¨ MS Via Pad¨ est positionné dans la feuille de dessin.

1.3.6 Visualisation du ¨layout¨ généré automatiquement

1.3.6.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône intitulé : ¨Edit Layout¨ : 20° Icône en partant de la gauche de la barre d’outils supérieure (en forme de crayon + microstrip lines interconnectées), puis, 1 click (G). => Affichage du ¨Layout¨ dans une fenêtre intitulée: ¨Smith_match-Circuit1-Layout¨

1.3.6.2 Si le ¨Layout¨ n’est pas aligné : 1 click (G) sur le bouton ¨Draw¨ puis sélectionner ¨Align MW Ports ¨ par 1 click (G) => On obtient le ¨Layout¨ aligné représenté sur la figure 1.2.

Figure 1.2 : Layout du réseau d’adaptation en L entre 2 ports d’entrée et de sortie.

1.3.7 Vérification du schéma.

Une fois le schéma terminé, il faut le vérifier en effectuant les opérations suivantes :

Quitter la fenêtre du Layout, et rouvrir la fenêtre du schéma.

1.3.7.1 Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨Schematic¨, appuyer sur la touche de gauche, et la relâcher sur : ¨Electric rule check¨ => ouverture de la fenêtre intitulée : ¨Electric rule check¨.

1.3.7.2 1 click (G) sur ¨Run ERC¨ => Si tout est correct, affichage du message ¨ Electric rule check complete. No error found ¨.

1.3.7.3 1 click (G) sur ¨OK¨ => Fermeture de la fenêtre intitulée : ¨ Schematic Editor¨.

1.3.8 VERIFICATION DE LA ¨NETLIST¨ GENEREE

Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Circuit1 ¨, (Symbole de transistor bipolaire situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis 1 click (D) →Sélectionner : ¨Browse Netlist¨ par 1 click (D) ou (G) Þ Affichage de la ¨Netlist¨ dans une fenêtre intitulée : ¨Project1-Circuit1-Netlist ¨

1.3.9 Copier / coller du schéma dans le traitement de texte Word.

Sous Ansoft Designer :

- Positionner la flèche dans la feuille de dessin, puis, 1 click (D) => un menu apparaît,

- 1 click (G) sur ¨Copy to Clipboard¨

Sous Word:

- Positionner le curseur à l’emplacement désiré, puis, 1 click (D) : Coller.

1.4 CONFIGURATION ET LANCEMENT D’UNE ANALYSE LINEAIRE

1.4.1 CONFIGURATION D’UNE ANALYSE LINEAIRE

1.4.1.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Smith_match¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis :

1.4.1.2 1 click (G) sur la croix (+) d’ouverture du dossier ¨Smith_match¨ Þ apparition d’un symbole de transistor bipolaire intitulé ¨Circuit 1¨

1.4.1.3 1 click (G) sur la croix (+) d’ouverture du dossier ¨Circuit 1¨ Þ apparition des sous-dossiers intitulés : ¨Data¨, ¨Excitations¨, ¨Ports¨, ¨Analysis¨, ¨Optimetrics¨, ¨Results¨.

1.4.1.4 1 click (D) sur le dossier: Analysis > Add Solution Set Up Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Analysis Setup ¨.

Compléter cette boite de dialogue comme suit :

Analysis Name: Laisser NWA1

Analysis Type: Linear Network Analysis.

Category: Frequency Domain.

1.4.1.5 1 click (G) sur : Next Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Linear Network Analysis, Frequency Domain¨

1.4.1.6 1 click (G) sur : Add Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Add/Edit Sweep¨

REMARQUE PRELIMINAIRE TRES IMPORTANTE : La plage de fréquence à analyser doit comprendre la ou les fréquences pour lesquelles il est prévu d’effectuer une adaptation d’impédance au moyen de SMITH TOOL : Par exemple, si l’on doit effectuer une adaptation d’impédance à 100Mhz, compléter cette boite de dialogue comme suit :

- Variable : F

- Sélectionner : Linear step

- Start : 50 MHz

- Stop : 150 MHz

- Step : 1 MHz

- 1 click (G) sur ¨Add¨ => Transfert dans la case intitulée ¨Sweep Values¨, de: ¨LIN 50 MHz 150 MHz 1 MHz¨

- 1 click (G) sur ¨OK¨ => Fermeture de la fenêtre intitulée : ¨ Add/Edit Sweep ¨.

1.4.1.7 1 click (G) sur ¨Terminer ¨ => Fermeture de la fenêtre intitulée : ¨ Linear Network Analysis, Frequency Domain ¨.

1.4.2 LANCEMENT D’UNE ANALYSE LINEAIRE

1.4.2.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Analysis ¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis :

1 click (G) sur la croix (+) d’ouverture du dossier ¨Analysis ¨ Þ apparition du sous dossier intitulé ¨NWA1¨

1.4.2.2 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨ NWA1¨, puis 1 click (D) Þ ouverture d’un menu de sélection: 1 click (G) ou (D) sur : ¨Analyze NWA1¨Þ Lancement de l’analyse linéaire.

Vérifier l’absence de message d’erreur en bas de l’écran.

1.5 VISUALISATION DES RESULTATS DE L’ANALYSE LINEAIRE DANS L’ABAQUE DE SMITH

1.5.1

Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Results¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis 1 click (D) Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Create Report ¨

Compléter cette boite de dialogue comme suit :

- Report Type : Standard

- Display type : Smith Chart

REMARQUE TRES IMPORTANTE : La sélection de ¨Smith Chart¨ ou ¨Polar Plot¨ est indispensable pour accéder à SMITH TOOL.

1.5.2

1 click (G) sur ¨OK¨ Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Traces ¨

Compléter cette boite de dialogue comme suit :

1.5.2.1 Dans l’onglet ¨Polar¨ :

- Category : S parameter

- Quantity : S11

- Function : <none>

1.5.2.2 1 click (G) sur le bouton : ¨Add Trace¨ Þ Transfert dans la case intitulée ¨Polar ¨, de: ¨S11 ¨

1.5.2.3 1 click (G) sur le bouton : ¨Done Þ Affichage de S11 dans l’abaque de SMITH située dans une fenêtre intitulée : ¨Smith Plot 1¨

intitulée : ¨Project1-Circuit1-Netlist ¨

1.6 UTILISATION DE L’OUTIL SMITH TOOL

1.6.1 APPEL DE L’OUTIL SMITH TOOL.

1 click (G) sur le bouton ¨Report 2D¨ (5° bouton en partant de la gauche en haut de l’écran) Þ Sélectionner ¨Smith Tool¨ par 1 click (G) Þ Ouverture de la fenêtre intitulée : ¨Smith Tool¨.

1.6.2 CONFIGURATION DE L’OUTIL SMITH TOOL.

1.6.2.1 Dans l’onglet ¨display¨ :

- Remplir obligatoirement la case ¨Freq¨. Par exemple, si l’adaptation est prévue à 100 MHz, c’est à ce niveau qu’il faut sélectionner 100 MHz dans la case ¨Freq¨.

- On peut aussi demander l’affichage de cercles ISOQ.

Deux méthodes peuvent être employées pour afficher les cercles ISOQ :

1° Manuellement avec la souris :

- 1 click (G) sur le bouton ¨Q ¨

- Avec la souris, déplacer la flèche dans l’abaque de Smith jusqu’à obtenir la valeur de Q désirée (par exemple Q = 5), puis 1 click (G), => Affichage des cercles ISOQ = 5 dans l’abaque de SMITH.

2° Numériquement avec le clavier:

- 1 click (G) sur le bouton ¨Q ¨

- Avec la souris, amener le curseur dans la case intitulée ¨Start¨

- Avec le clavier, entrer la valeur désirée : 5, puis : Enter.

=> Affichage des cercles ISOQ = 5 dans l’abaque de SMITH.

1.6.2.2 Dans l’onglet ¨Matching¨ : Entrée du point de départ

- Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨New Match¨, puis 1 click (G) :

C’est à ce niveau que l’on doit rentrer l’impédance de la charge à adapter :

( Z_L : RL = 1000Ω // C_L = 2pF), puis concevoir le réseau pour une adaptation au complexe conjugué de l’impédance de sortie du générateur (Zs* = 100Ω - j 126Ω).

Dans le cas particulier de l’exemple que nous avons choisi, il est préférable pour des raisons de rapidité et de précision de rentrer l’admittance réduite de la charge (y_L = 0,05 + j0,0628).

De même que pour l’affichage de cercles ISOQ précédemment décrit, on peut rentrer le point de départ soit manuellement avec la souris, soit numériquement avec le clavier :

1° Entrée manuelle du point de départ avec la souris :

Avec la souris, déplacer la flèche dans l’abaque de Smith jusqu’à obtenir la valeur désirée de l’admittance réduite de la charge : y_L = 0,05 + j0,0628, puis 1 click (G), => Affichage du point de départ dans l’abaque de Smith.

2° Entrée numérique du point de départ avec le clavier:

La méthode numérique est plus précise, elle consiste à rentrer Z_L ou Y_L au moyen du clavier. On peut alors soit rentrer la valeur nominale de l’impédance Z_L, dans la case ¨Nominal Value¨ ; soit rentrer la valeur réduite de l’impédance z_L dans la case ¨Normalized impedance¨; soit encore, rentrer la valeur réduite de l’admittance y_L dans la case ¨Normalized admittance¨

Remarque : dans la version 2 d’Ansoft Designer, on ne peut plus rentrer directement une valeur numérique de point de départ avec le clavier, il faut obligatoirement passer par l’intermédiaire de la phase précédente (entrée manuelle avec la souris). Dans le cas particulier de l’exemple choisi, il s’agit de rentrer une admittance réduite. La procédure à suivre est alors la suivante :

- Avec la souris, déplacer la flèche dans une zone quelconque de l’abaque de Smith puis 1 click (G), => Affichage du point de départ correspondant dans l’abaque de SMITH.

- Avec la souris, amener le curseur dans la case intitulée ¨Normalized Admittance¨, qui contient la valeur du point de départ sélectionné manuellement.

- Avec le clavier, remplacer cette valeur initiale arbitraire, par la valeur désirée de l’admittance réduite de la charge : yL = 0,05 + j0,0628, puis appuyer sur ¨Enter¨ Þ

Affichage du point de départ dans l’abaque de Smith.

1.6.3 CONCEPTION DU RESEAU D’ADAPTATION

La conception du réseau d’adaptation comprend 3 phases :

1.6.3.1 Construction du réseau d’adaptation.

Cette phase consiste à sélectionner successivement (et dans l’ordre d’apparition dans le schéma), les éléments constituant le réseau d’adaptation. La palette de choix de SMITH TOOL permet de sélectionner aussi bien des éléments localisés (L, C) que des éléments répartis (lignes, stubs).

Dans le cas particulier de l’exemple du réseau en L : (Ls / Cp), cette construction peut s’effectuer dans une même phase de la manière suivante :

- Sélection d’un condensateur parallèle (Cp) : par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’un condensateur connecté à la masse.

- Sélection d’une self inductance série (Ls) : par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’une self inductance non connectée à la masse.

Chaque sélection d’un élément doit se traduire dans l’abaque de SMITH par l’apparition d’un arc de cercle supplémentaire.

REMARQUES :

1. L’abaque de SMITH est paramétrée en IMMITANCE.

2. SMITH TOOL ne prend en compte que l’une des impédances à adapter, (définie par le¨Start Point¨) et ignore la valeur de la 2^ième impédance terminale (point d’arrivée) que seul l’utilisateur connaît. C’est la raison pour laquelle SMITH TOOL propose par défaut une longueur d’arc (correspondant à une valeur initiale du composant sélectionné) que l’utilisateur doit modifier manuellement dans une 2^ième phase (décrite ci-dessous en 1.6.3.2.) pour atteindre le point d’arrivée.

1.6.3.2 Réglage manuel des valeurs des composants du réseau d’adaptation.

Chaque composant du réseau d’adaptation doit être réglé ¨manuellement¨ dans l’abaque de SMITH par la méthode graphique suivante :

- Avec la souris, amener la croix sur le point d’arrivée de l’arc de cercle relatif au composant à régler.

- Appuyer sur la touche de gauche => Affichage du cercle complet représentant toutes les possibilités de réglages offertes par le composant sélectionné.

- Déplacer le point d’arrivée en déplaçant la souris (et en maintenant la touche de gauche appuyée) jusqu’à atteindre le point désiré, puis relâcher la touche de gauche => Le point d’arrivée de l’arc de cercle considéré atteint le point désiré.

- Après plusieurs réglages successifs de chaque composant du réseau d’adaptation, on peut atteindre le point correspondant à l’impédance terminale désirée :

Dans l’exemple choisi, il s’agit du complexe conjugué de l’impédance de sortie du générateur (Zs* = 100Ω - j 126Ω, ou zs* = 2 – j 2,52).

On obtient alors dans le cas de cet exemple les transformations d’impédances dans l’abaque de SMITH, représentées sur la figure 1.3.

Figure 1.3 : Réseau d’adaptation en L : Transformations d’impédances dans l’abaque de SMITH

1.6.3.3 Affichage du schéma complet du réseau d’adaptation

L’affichage du schéma complet du réseau d’adaptation s’effectue au moyen d’un transfert (Export) dans la feuille de dessin initiale (intitulée dans notre exemple: ¨smith_match-Circuit1-Schematic¨.

La procédure à suivre est alors la suivante :

- Dans l’onglet ¨Matching¨, 1 click (G) sur le bouton ¨Export¨ Þ Affichage du message Ansoft Designer: ¨U1 : Circuit2 : SubCircuit has been inserted in the project tree¨.

- 1 click (G) sur ¨OK¨ Þ Fermeture du message Ansoft Designer.

- Fermer la fenêtre intitulée : ¨Smith Tool¨.

Après la fermeture de ¨Smith Tool¨, on peut vérifier que le ¨SubCircuit : ¨U1Circuit2¨ a été inséré dans le ¨project tree¨ (onglet ¨project¨), ainsi que dans la feuille de dessin initiale (¨smith_match-Circuit1-Schematic¨) sous la forme d’un quadripôle.

Le quadripôle ¨U1Circuit2¨ peut alors être déplacé et connecté au circuit initial, ou remplacer le circuit initial.

En principe le schéma électrique de ¨U1Circuit2¨ s’affiche automatiquement dans une fenêtre intitulée : ¨smith_match- (Circuit2.U1)-Schematic¨

Si cet affichage automatique ne s’effectue pas, on peut le forcer manuellement par l’une des 2 méthodes suivantes :

1°. A partir du quadripôle inséré dans le dessin :

- Avec la souris, amener la flèche sur le symbole du quadripôle ¨U1Circuit2¨ situé dans la feuille de dessin, puis 1 click (D) Þ Le symbole devient rouge, et un menu de sélection s’ouvre:

- 1 click (G) ou (D) sur : ¨Push Down ¨Þ

Affichage du schéma complet du réseau d’adaptation représenté sur la figure 1.4.

2°. A partir du ¨SubCircuit : ¨U1Circuit2¨ a été inséré dans le ¨project tree¨ (onglet ¨project¨) :

- Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨U1Circuit2¨, (Symbole de transistor bipolaire situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis 2 clicks (G)

Þ

Affichage du schéma complet du réseau d’adaptation représenté sur la figure 1.4.

Figure 1.4 : Schéma complet du réseau d’adaptation en L.

2 CONCEPTION ET SIMULATION LINEAIRE D’UN LNA (Low Noise Amplifier)

2.1 DESSIN DU SCHEMA ELECTRIQUE

2.2 Introduction

On propose de réaliser l’amplificateur au moyen du transistor BFR93AW, (Philips) modélisé par ses paramètres S au point de polarisation : V_CE = 5V, I_C = 5mA.

Figure 2.1 : Schéma du LNA avec transistor BFR93AW

Malgré son extrême simplicité, ce schéma pose un problème au niveau de la sélection et du placement du transistor BFR93AW, modélisé par ses paramètres S au point de polarisation : V_CE = 5V, I_C = 5mA. En effet, dans la version 2.2 d’Ansoft Designer, le modèle de ce transistor ne figure plus dans la bibliothèque disponible dans l’onglet Components.

Pour obtenir le modèle désiré, il faut le rechercher dans les librairies figurant dans le Directory d’installation, en suivant la procédure suivante :

2.3 Procédure générale de recherche et de placement d’un transistor modélisé par ses paramètres S

2.3.1 Identification et recherche des références du fichier de paramètre S du transistor

Pour rechercher le fichier de paramètres S du BFR93AW, (Philips) au point de polarisation : V_CE = 5V, I_C = 5mA, il faut :

Ouvir le Poste de travail :

- Se placer sous : C / ANSOFT LIBRAIRIES / Sys lib / Vendor elements / S param data / philips npn-95plb

- Ouvrir avec Word Pad ou Word le fichier : Philips npn-asplb

- Rechercher le fichier de paramètres S du BFR93AW, au point de polarisation : V_CE = 5V, I_C = 5mA

- Relever les références indiquées après $ BEGIN. Þ dans le cas du BFR93AW, au point de polarisation : V_CE = 5V, I_C = 5mA, on trouve : bfr93awa.s2p

2.3.2 Placement du transistor sous Ansoft Designer:

Transférer dans Components la librairie complète de paramètres S en procédant comme suit :

- 1 click (G) sur Tools > Configure Libraries… => Ouverture de la boite de dialogue intitulée: Configure Design Libraries.

- Dans la case intitulée: ¨Available Libraries¨, sélectionner : ¨Vendors elements¨ / S Param Data / NPN.

- 1 click (G) sur le bouton : [>>] => Transfert de la librairie désirée dans la case intitulée: ¨Configured Libraries¨.

- 1 click (G) sur ¨OK¨.

- Dans l’onglet Component, rechercher le transistor bfr93awa.s2p, dans : Vendors elements¨ / S Param Data / NPN / Philips - Npn – 2p : Philips NPN 2 port

- 1 click (G) sur : ¨ Philips - Npn – 2p : Philips NPN 2 port¨ 

- Placer le symbole du transistor dans le schéma.

Par défaut, le transistor est référencé : bf 547a .S2p Þ Pour remplacer par la référence désirée :

- 2 clicks (G) sur le symbole du transistor

- Ouverture de la fenêtre intitulée: Properties

- Dans la colonne Value, ligne VComp : 2 clicks (G) sur Choose Þ

- Ouverture de la fenêtre intitulée: Model list

- Sélectionner : bfr93awa.s2p

- 1 click (G) sur ¨OK¨ dans fenêtre intitulée: Model list

- 1 click (G) sur ¨OK¨ dans fenêtre intitulée: Properties

Þ La référence du transistor devient : bfr93awa.s2p

2.4 CONFIGURATION ET LANCEMENT D’UNE ANALYSE LINEAIRE

Reprendre la procédure décrite au § 1.4, en configurant la boite de dialogue intitulée : ¨Add/Edit Sweep¨ comme suit :

- Variable : F

- Sélectionner : Linear step

- Start : 400 MHz

- Stop : 800 MHz

- Step : 1 MHz

2.5 VISUALISATION DES RESULTATS DE L’ANALYSE LINEAIRE DANS L’ABAQUE DE SMITH

Demander l’affichage de S11 dans l’abaque de SMITH, en reprenant la procédure décrite au § 1.5.

2.6 UTILISATION DE L’OUTIL SMITH TOOL

2.6.1 APPEL DE L’OUTIL SMITH TOOL.

1 click (G) sur le bouton ¨Report 2D¨ (5° bouton en partant de la gauche en haut de l’écran) Þ Sélectionner ¨Smith Tool¨ par 1 click (G) Þ Ouverture de la fenêtre intitulée : ¨Smith Tool¨.

2.6.2 CONFIGURATION DE L’OUTIL SMITH TOOL.

On désire concevoir un amplificateur de gain 16 dB, pour une fréquence de 600 MHz, avec un facteur de bruit de 1,5 dB Þ

2.6.2.1 Sélection de la fréquence

Dans l’onglet ¨display¨ :

- Dans la case ¨Freq¨, sélectionner 600 MHz.

2.6.2.2 Sélection d’un cercle de gain constant de Source (S):

Dans l’onglet ¨display¨ :

- Dans la zone Circles, sélectionner : Available Gain Ga (S-Plane).

- Dans la case ¨Start¨, entrer : 16

- 1 click (G) sur le bouton ¨Apply ¨

Þ Apparition d’un cercle de gain constant de Source (S) de 16 dB. (voir figure 2.2)

2.6.2.3 Sélection d’un cercle de bruit constant:

Dans l’onglet ¨display¨ :

- Dans la zone Circles, sélectionner : Noise.

- Dans la case ¨Start¨, entrer : 1.5

- 1 click (G) sur le bouton ¨Apply ¨

Þ Apparition d’un cercle de bruit constant de Source (S) de 1,5 dB. (voir figure 2.2)

2.6.2.4 Tracé des cercles de stabilité de source et de charge:

Dans l’onglet ¨display¨ :

- Dans la zone Circles, sélectionner : Stability K (S Plane).

- 1 click (G) sur le bouton ¨Apply ¨

Þ Apparition du cercle de stabilité dans le plan de Source (S) (voir figure 2.2)

- Dans la zone Circles, sélectionner : Stability K (L Plane).

- 1 click (G) sur le bouton ¨Apply ¨

Þ Apparition du cercle de stabilité dans le plan de Charge (Load = L) (voir figure 2.2)

Nota : Les petits traits perpendiculaires au cercle indiquent le coté stable du cercle.

2.6.2.5 Tracé du cercle de VSWR constant de source:

Dans l’onglet ¨display¨ :

- Dans la zone Grids, entrer : 2 dans la case ¨Start¨.

- 1 click (G) sur le bouton ¨VSWR ¨

Þ Apparition du cercle de VSWR = 2 dans le plan de Source (S) (voir figure 2.2)

On obtient ainsi l’impédance optimale à ramener dans le plan de source : Il s’agit de l’impédance au point d’intersection P des 3 cercles :

- Gain constant de Source (S) : Cercle rouge.

- Bruit constant : Cercle vert

- VSWR constant de source : Cercle bleu.

Il reste maintenant à déterminer l’impédance optimale à ramener dans le plan de charge permettant d’obtenir le gain de 16 dB désiré. Cette opération est réalisée automatiquement par Smith Tool au moyen de l’outil Source/Load Mapping qu’il suffit de configurer comme indiqué dans le § 2.6.2.6 ci-dessous.

Figure 2.2 : Tracés des cercles du transistor BFR93AW :

- Gain constant de Source (S)

- Bruit constant

- Stabilité de source et de charge

- VSWR constant de source

2.6.2.6 Détermination de l’impédance dans le plan de charge au moyen de l’outil Source/Load Mapping

Dans l’onglet ¨display¨ :

- Dans la zone Mapping, sélectionner : Available Gain Ga S→L

- Dans la case ¨Gain (dB)¨, entrer : 16

- 1 click (G) sur le bouton ¨Apply ¨

Þ Apparition d’un 2^ème cercle référencé dans le plan de charge (voir figure 2.4)

- Avec la souris, déplacer la croix au point P, puis 1 click (G)

=> Affichage du point correspondant (Q) dans le 2^ème cercle référencé dans le plan de charge (voir figure 2.3).

Transformer le point correspondant (Q) en son complexe conjugué (Q*) =>

- 1 click (G) sur le bouton ¨Conjugate ¨

- 1 click (G) sur le point (Q)

ð Affichage du point conjugué (Q*)  (voir figure 2.3).

Figure 2.3 : Mapping du cercle de gain de Source dans le plan de Charge, et tracé du point conjugué (Q*)

2.6.3 Conception du réseau d’adaptation d’entrée

2.6.3.1 Entrée du point de départ

Dans l’onglet ¨Matching¨ 

- Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨New Match¨, puis 1 click (G) :

Dans l’abaque de Smith :

Avec la souris, déplacer la croix au centre de l’abaque de Smith (50 Ω) puis 1 click (G), => Affichage du point de départ dans l’abaque de Smith.

2.6.3.2 Conception du réseau d’adaptation

- Sélection d’une self inductance shunt: par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’une self inductance connectée à la masse.

- Avec la souris, régler le trajet correspondant dans l’abaque de Smith.

- Sélection d’un condensateur série : par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’un condensateur non connecté à la masse.

- Avec la souris, régler le trajet correspondant dans l’abaque de Smith, jusqu’à atteindre le point P (intersection des cercles  de Gain, de bruit, et de VSWR. (voir figure 2.4)

Figure 2.4 : Trajets dans l’abaque de Smith du réseau d’adaptation d’entrée

L’affichage du schéma complet du réseau d’adaptation s’effectue au moyen d’un transfert (Export) dans la feuille de dessin initiale.

- Dans l’onglet ¨Matching¨, 1 click (G) sur le bouton ¨Export¨ Þ Affichage du message Ansoft Designer: ¨U1 : Circuit2 : SubCircuit has been inserted in the project tree¨.

A ce stade, on peut vérifier que le ¨SubCircuit : ¨U1Circuit2¨ a été inséré dans le ¨project tree¨ (onglet ¨project¨), ainsi que dans la feuille de dessin initiale sous la forme d’un quadripôle.

2.6.4 Conception du réseau d’adaptation de sortie

2.6.4.1 Entrée du point de départ

Dans l’onglet ¨Matching¨ : 

- Avec la souris, amener la flèche sur le bouton ¨New Match¨, puis 1 click (G) :

Dans l’abaque de Smith :

Avec la souris, déplacer la croix sur le du point conjugué (Q*)  puis 1 click (G), => Affichage du point de départ dans l’abaque de Smith.

2.6.4.2 Conception du réseau d’adaptation

- Sélection d’une self inductance shunt: par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’une self inductance connectée à la masse.

- Avec la souris, régler le trajet correspondant dans l’abaque de Smith, jusqu’à atteindre le cercle R = 1.

- Sélection d’un condensateur série : par 1 click (G) sur le bouton comportant le symbole d’un condensateur non connecté à la masse.

- Avec la souris, régler le trajet correspondant dans l’abaque de Smith, jusqu’à atteindre le centre de l’abaque de Smith (50Ω). (voir figure 2.5)

Figure 2.5 : Trajets dans l’abaque de Smith des réseaux d’adaptation d’entrée et de sortie

L’affichage du schéma complet du réseau d’adaptation s’effectue au moyen d’un transfert (Export) dans la feuille de dessin initiale.

- Dans l’onglet ¨Matching¨, 1 click (G) sur le bouton ¨Export¨ Þ Affichage du message Ansoft Designer: ¨U2 : Circuit2 : SubCircuit has been inserted in the project tree¨.

A ce stade, on peut vérifier que le ¨SubCircuit : ¨U2Circuit2¨ a été inséré dans le ¨project tree¨ (onglet ¨project¨), ainsi que dans la feuille de dessin initiale sous la forme d’un quadripôle.

2.7 CONSTRUCTION DE L’AMPLIFICATEUR

Pour la clarté du schéma, il est conseiller de renommer les ¨SubCircuits¨  en procédant comme suit :

Dans l’onglet ¨Project¨ : 

- Avec la souris, amener la flèche sur le symbole du réseau d’adaptation d’entrée : ¨SubCircuit : ¨U1 : Circuit2¨ 

- 1 click (D) → Rename

- Renommer le   ¨SubCircuit : InputMatch (par exemple)

Répéter les 3 opérations ci-dessus pour le réseau d’adaptation de sortie, et le renommer : OutputMatch (par exemple)

Connecter les réseaux d’adaptation d’entrée et de sortie selon le schéma représenté sur la figure 2.6.

Figure 2.6 : Schéma complet du LNA

2.8 SIMULATION DE L’AMPLIFICATEUR

Lancer une simulation linéaire, en reprenant la procédure décrite au § 1.4, et en configurant la boite de dialogue intitulée : ¨Add/Edit Sweep¨ comme suit :

- Variable : F

- Sélectionner : Linear step

- Start : 400 MHz

- Stop : 800 MHz

- Step : 1 MHz

Demander l’affichage dans un graphe rectangulaire (rectangular plot) des courbes suivantes :

- dB(S11)

- dB(S22)

- dB(S21)

- dB(NF)

On obtient les courbes représentées sur la figure 2.7.

Addition de marqueurs :

On peut rajouter un marqueur à 600 MHz sur chaque courbe en procédant comme suit :

- 1 click (D) → Graphe

- Sélectionner : Data Marker

- Ajouter un marqueur à 600 MHz sur chaque courbe après les avoir sélectionnées

Figure 2.7 : Courbes du S11, S22, S21, NF, du LNA obtenues par simulation

3 SIMULATION NON LINEAIRE DE TYPE ¨HARMONIC BALANCE¨

3.1 Introduction

Pour étudier un circuit non linéaire, une procédure simplifiée comporte typiquement les 5 phases suivantes:

- Phase 1 : Dessin du schéma du circuit, avec les éléments actifs caractérisés par leurs modèles non linéaires.

- Phase 2 : Vérification de la polarisation

- Phase 3 : Définition du signal d’entrée pour la simulation non linéaire.

- Phase 4 : Lancement de l’analyse : Harmonic Balance Analysis.

- Phase 5 : Affichage des résultats de la simulation.

- Phase 6 : Détermination de l’impédance d’entrée pour la puissance nécessaire à l’entrée du circuit.

3.2 Dessin du schéma du circuit, opérations préliminaires à effectuer

3.2.1 Dessin du schéma du circuit

Pour illustrer la méthode de simulation Harmonic Balance, on propose de traiter l’exemple du doubleur de fréquence représenté figure 3.1.

Les valeurs des éléments de ce doubleur ont été calculées pour obtenir une fréquence de sortie de 500 MHz à partir d’un signal d’entrée à 250 MHz.

Figure 3.1 : Schéma électrique du doubleur de fréquence

Pour dessiner ce schéma, se reporter au § 1.3 pour le placement des composants passifs, et la réalisation des interconnexions.

Remarque importante relative aux simulations multiples de schémas pouvant subir des modifications entre simulations :

En principe le logiciel Ansoft Designer réactualise automatiquement le schéma à simuler dès que ce dernier est sauvegardé. Si cette réactualisation ne se produit pas, on peut réactiver cet automatisme en procédant comme suit :

Pour la charger, il faut effectuer les opérations suivantes :

3.2.1.1 1 click (G) sur Tools > Options > Circuits Options => Ouverture de la boite de dialogue intitulée: Circuits Options.

3.2.1.2 Sélectionner : ¨Dynamically update process data on edit¨.

3.2.1.3 1 click (G) sur ¨OK¨.

Remarque importante relative à ce schéma :

Le port d’entrée (Port1) doit être configuré avec une impédance de valeur :

Re = 50Ω, Im = 0

Le port de sortie (Port2) doit être configuré avec une impédance de valeur :

Re = 500Ω, Im = 0

Remarque importante relative à la simulation non linéaire :

Avant de lancer une simulation non linéaire, il faut vérifier au niveau de la schématique, les 2 points suivants :

3.2.2 Placement et connexion des générateurs de tensions

Si cela n’a pas été fait, la procédure pour rajouter un générateur de tension continue est la suivante:

- 1 click G sur l’onglet du dossier : Components

- Ouvrir le dossier : Circuits Elements

- Ouvrir le dossier : Sources

- Ouvrir le dossier : Independant Sources

- Sélectionner le symbole : VDC :Voltage Source, et le placer dans le schéma.

- 2 clicks G sur le symbole : VDC :Voltage Source.

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Source Sélection

- Compléter la fenêtre: Source Sélection comme suit:

Dans la section :Parameters, rentrer dans les colonnes Value et Unit: la valeur de la tension désirée 

Sélectionner : Voltage,

Dans la section : Type, Sélectionner : DC

1 click G / OK dans la fenêtre: Source Selection

3.2.3 Remplacement des éléments non linéaires décrits par des fichiers de paramètres S linéaires par des modèles non linéaires.

Si cela n’a pas été fait, la procédure la plus simple pour rajouter un élément non linéaire est la suivante:

- 1 click G sur l’onglet du dossier : Components

- Ouvrir le dossier : Vendor Elements

- Ouvrir le dossier : Nonlinear

- Sélectionner successivement : Le type d’élément, le fabriquant, le nom de l’élément, puis placer l’élément choisi dans le schéma.

La procédure de simulation non linéaire peut alors être lancée sous ANSOFT DESIGNER.

3.3 Phase 2: Vérification de la polarisation.

Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Show DC Bias

=> Affichage sur le schéma des tensions et courants de polarisation (voir figure 3.2).

Si les tensions et courants de polarisation sont conformes aux prévisions théoriques, la phase 2, de simulation non linéaire peut être entreprise.

Figure 3.2 : Tensions et courants de polarisation du doubleur de fréquence

REMARQUES :

Pour effacer les tensions et courants de polarisation :

1^ière méthode :

Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Show DC Bias

2^ème méthode :

1 click (G) / Edit → Sélectionner : Undo.

Pour réactualiser une vérification de la polarisation après modification du circuit :

Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Update

3.4 Phase 3 : Définition du signal d’entrée pour la simulation non linéaire.

3.4.1 Définition d’une : ¨RF 1 tone Analysis¨.

- 2 clicks (G) sur le symbole du port d’entrée.

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Port Definition

Compléter la fenêtre: Port Definition comme suit:

- Dans la section : Source Definition : 1 click G / Add

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Source Selection.

Compléter la fenêtre: Source Selection comme suit:

- Sélectionner : Power

- Dans l’onglet: Parameters, entrer au clavier un nom de variable, (par exemple : ¨Pin¨) (en dBm) dans la case correspondant à :

- la colonne : Value

- la ligne définie par: Property = p, Unit = dBm, Description = Available power of the source.

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Source Selection

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Port Definition

ð Vérifier dans l’onglet ¨Project¨ que la source : Sinusoïdal 1 a été ajoutée dans le dossier : Excitations.

3.4.2 Définition d’un : Power Sweep.

- Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Analysis → Add Solution Setup

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Analysis Setup.

Compléter la fenêtre: Analysis Setup comme suit:

- Analysis Type: Harmonic Balance

- Analysis Name: HB1Tone1

- Category: 1-Tone

- 1 click G / Next.

- Dans la case: Sweep Variables, mettre en inverse video : F1

- 1 click G / Edit

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Add/Edit Sweep.

Compléter la fenêtre: Add/Edit Sweep comme suit:

- Sélectionner : Single value

- Dans la case : Value, entrer la fréquence désirée. Par exemple : 250MHz.

- 1 click G / Add

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Add/Edit Sweep

- Dans la fenêtre: Harmonic Balance Analysis: 1 click G / Add

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Add/Edit Sweep

Compléter la fenêtre: Add/Edit Sweep comme suit :

- Dans la case : Variable, sélectionner : Pin

- Sélectionner : Linear step

- Entrer les valeurs désirées dans les cases : Start, Stop, et, Step .

Par exemple : Start = - 40 dBm, Stop = 20 dBm, Step = 1 dBm.

- 1 click G / Add

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Add/Edit Sweep.

- 1 click G / Terminer dans la fenêtre: Harmonic Balance Analysis, 1-Tone

3.5 Phase 4 : Lancement de l’analyse : Harmonic Balance Analysis.

- Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Analysis → HB1Tone1

- Sélectionner: Analyze HB1 Tone1

ð Lancement de l’analyse : Harmonic Balance.

3.6 Phase 5 : Affichage des résultats.

3.6.1 Affichage de la puissance du fondamental, et des harmoniques 2 et 3 en sortie sur le port 2

3.6.1.1 Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Results → Create Report

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Create Report

Compléter la fenêtre: Create Report comme suit :

- Report Type : Standard

- Display Type : Rectangular Plot

3.6.1.2 1 click G / OK

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Traces

Compléter la fenêtre: Traces comme suit :

- Dans la case : Solution, sélectionner : HB1 Tone1

- Dans la case : Domain, sélectionner : Sweep

3.6.1.3 Pour afficher la puissance du fondamental, et des harmoniques 2 et 3 en sortie sur le port 2, sélectionner successivement:

Pour le fondamental :

- Category : Power

- Quantity : PO2<F1>

- Function : dBm.

1 click G / Add Trace

Pour l’harmonique 2 :

- Category : Power

- Quantity : PO2<2F1>

- Function : dBm.

1 click G / Add Trace

Pour l’harmonique 3 :

- Category : Power

- Quantity : PO2<3F1>

- Function : dBm.

1 click G / Add Trace

3.6.1.4 1 click G / Done Þ Affichage des courbes du fondamental, et des harmoniques 2 et 3 générés sur la sortie, en fonction de la puissance d’entrée, représentées sur la figure 3.3.

Figure 3.3 : Courbes du fondamental, et des harmoniques 2 et 3 générés sur la sortie, en fonction de la puissance d’entrée

L’examen de ces courbes montre que la puissance de l’harmonique 2 est maximale pour une puissance d’entrée de – 10 dBm. Dans la suite logique de la conception du doubleur de fréquence, il est nécessaire de déterminer l’impédance d’entrée du doubleur pour la puissance d’entrée : Pin = – 10 dBm 

3.7 Phase 6 : Détermination de l’impédance d’entrée pour la puissance nécessaire à l’entrée du circuit non linéaire (doubleur de fréquence).

3.7.1.1 Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Results → Create Report

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Create Report

Compléter la fenêtre: Create Report comme suit :

- Report Type : Standard

- Display Type : Rectangular Plot

- 1 click G / OK

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Traces

- Compléter la fenêtre: Traces comme suit :

- Dans la case : Solution, sélectionner : HB1 Tone1

- Dans la case : Domain, sélectionner : Sweep

3.7.1.2 Pour Afficher la partie réelle de l’impédance d’entrée sur le port 1, sélectionner :

- Category : Input Impedance

- Quantity : ZI1<F1>

- Function : re

- 1 click G / Add Trace

3.7.1.3 Pour Afficher la partie imaginaire de l’impédance d’entrée sur le port 1, sélectionner :

- Category : Input Impedance

- Quantity : ZI1<F1>

- Function : im

- 1 click G / Add Trace

3.7.1.4 1 click G / Done

=> Affichage des courbes : re(ZI1<F1>) et im(ZI1<F1>) en fonction de la puissance du fondamental en entrée sur le port 1 : Pin. (Voir figure 3.4)

Avec l’aide de la courbe : PO2<F1> il est alors possible de concevoir le réseau d’adaptation d’impédance à insérer en entrée pour une puissance d’entrée de -10 dBm, permettant d’obtenir l’optimum de puissance sur l’harmonique 2.

Figure 3.4 : Courbes : re(ZI1<F1>) et im(ZI1<F1>) en fonction de la puissance du fondamental à 250 MHz appliqué à l’entrée

3.8 Vérification de l’accord du circuit de sortie

(par un balayage en fréquence entre 150 MHz, et 350 MHz avec une puissance d’entrée fixe de -10 dBm)

3.8.1 Définition d’une puissance d’entée constante

- 2 clicks (G) sur le symbole du port d’entrée.

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Port Definition

Compléter la fenêtre: Port Definition comme suit:

- Dans la section : Source Definition : 1 click G / Add

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Source Selection.

Compléter la fenêtre: Source Selection comme suit:

- Sélectionner : Power

- Dans l’onglet: Parameters, entrer au clavier : -10 dBm dans la case correspondant à :

- la colonne : Value

- la ligne définie par: Property = p, Unit = dBm, Description = Available power of the source.

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Source Selection

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Port Definition

ð Vérifier dans l’onglet ¨Project¨ que la source : Sinusoïdal 2 a été ajoutée dans le dossier : Excitations.

3.8.2 Définition du balayage en fréquence

(entre 150 MHz, et 350 MHz avec une puissance d’entrée fixe de -10 dBm)

- Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Analysis → Add Solution Setup

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Analysis Setup.

Compléter la fenêtre: Analysis Setup comme suit:

- Analysis Type: Harmonic Balance

- Analysis Name: HB1Tone1

- Category: 1-Tone

- 1 click G / Next.

- Dans la case: Sweep Variables, mettre en inverse video : F1

- 1 click G / Edit

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Add/Edit Sweep.

Compléter la fenêtre: Add/Edit Sweep comme suit:

- Sélectionner : Linear step

- Entrer les valeurs désirées dans les cases : Start, Stop, et, Step .

Par exemple : Start = 150 MHz, Stop = 350 MHz, Step = 1 MHz.

- 1 click G / Add

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Add/Edit Sweep.

- 1 click G / Terminer dans la fenêtre: Harmonic Balance Analysis, 1-Tone

3.8.3 Lancement de l’analyse : Harmonic Balance Analysis.

- Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Analysis → HB1Tone2

- Sélectionner: Analyze HB1 Tone2

ð Lancement de l’analyse : Harmonic Balance.

3.8.4 Affichage des résultats.

3.8.4.1 Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Results → Create Report

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Create Report

Compléter la fenêtre: Create Report comme suit :

- Report Type : Standard

- Display Type : Rectangular Plot

- 1 click G / OK

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Traces

- Compléter la fenêtre: Traces comme suit :

- Dans la case : Solution, sélectionner : HB1 Tone2

- Dans la case : Domain, sélectionner : Sweep

3.8.4.2 Pour Afficher la puissance de l’harmonique 2 en sortie, sélectionner :

- Category : Power

- Quantity : PO2<2F1>

- Function : dBm

- 1 click G / Add Trace

- 1 click G / Done

=> Affichage de la courbe de la puissance de l’harmonique 2 en sortie, en fonction de la fréquence (Voir figure 3.5)

Figure 3.5 : Courbe de la puissance de l’harmonique 2 en sortie, en fonction de la fréquence, pour une puissance d’entrée constante : Pin = - 10 dBm

4 SIMULATION DE TYPE ¨HARMONIC BALANCE¨ D’UN OSCILLATEUR

4.1 Introduction.

La procédure de simulation d’un oscillateur sous ANSOFT DESIGNER comporte 5 phases:

- Phase 1 : Dessin du schéma de l’oscillateur, avec les éléments actifs caractérisés par leurs modèles non linéaires.

- Phase 2: Vérification de la polarisation.

- Phase 3 : Recherche de la fréquence d’oscillation (Harmonic Balance Resonant Frequency Search) appelée sous ANSOFT DESIGNER : ¨HB Resonant Frequency Search¨.

- Phase4 : Si une fréquence d’oscillation a été trouvée dans la Phase 1 : Lancement de la simulation Harmonic Balance appelée sous ANSOFT DESIGNER : ¨Harmonic Balance Oscillator¨

- Phase 5 : Affichage des résultats de la simulation

4.2 Phase 1 : Dessin du schéma de l’oscillateur

4.2.1 Dessin du schéma

Pour illustrer la méthode de simulation Harmonic Balance, on propose à titre d’exemple de dessiner l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun représenté figure 4.1.

Les valeurs des éléments de cet oscillateur ont été calculées pour obtenir une fréquence d’oscillation proche de 90 MHz

Pour dessiner ce schéma, se reporter :

- Au § 1.3. pour les composants passifs, et les interconnexions.

- Au § 2.5. pour le composant actif (BFR93), et la source d’alimentation en tension.

Remarque : Placement de sondes de tension (VEM, VBM)

Remarque importante relative à ce schéma :

Le port 1 doit être configuré avec une impédance de valeur :

Re = 50Ω, Im = 0

4.2.2 Placement et connexion des sondes de tension

Les sondes de tension permettent de déterminer la tension d’un point du circuit par rapport à la masse sans perturber le circuit. (Impédance interne de la sonde →∞)

Pour rajouter une sonde de tension la procédure est la suivante:

- 1 click G sur l’onglet du dossier : Components

- Ouvrir le dossier : Circuits Elements

- Ouvrir le dossier : Probes

- Sélectionner le symbole : Voltage Probe, et le placer sur le point désiré du schéma.

Remarque : Par défaut la Voltage Probe est nommée ¨Required¨. Pour renommer la sonde, procéder comme suit :

- 2 clicks G sur le symbole : Voltage Probe.

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Properties

- Compléter la fenêtre: Properties comme suit:

Dans la ligne : Name, remplacer dans la colonne Value : ¨Required¨ par le nom désiré (VEM)

1 click G / OK dans la fenêtre: Properties

Figure 4.1. Schéma électrique de l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun

4.3 Phase 1: Vérification de la polarisation.

Procéder comme dans le cas de la simulation non linéaire Þ

Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Show DC Bias

=> Affichage sur le schéma des tensions et courants de polarisation (voir figure 4.2).

Si les tensions et courants de polarisation sont conformes aux prévisions théoriques, la phase 2, de simulation non linéaire peut être entreprise.

REMARQUES  (rappels):

Pour effacer les tensions et courants de polarisation :

1^ière méthode :

Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Show DC Bias

2^ème méthode :

1 click (G) / Edit → Sélectionner : Undo.

Pour réactualiser une vérification de la polarisation après modification du circuit :

Dans l’onglet ¨Project¨: 1 click D / Circuit → View DC Bias → Update

Figure 4.2 : Tensions et courants de polarisation de l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun

4.4 Phase 2: HB Resonant Frequency Search

4.4.1 Configuration de ¨HB Resonant Frequency Search¨

4.4.1.1 1 click D / Analysis /Add Solution Setup Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨ Analysis Setup¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨Analysis Setup ¨ comme suit :

- Dans la case ¨ Analysis Type¨, sélectionner : HB Resonant Frequency Search.

- Dans la case ¨Analysis Name ¨, laisser le nom donné par défaut.

4.4.1.2 1 click G / Next. Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨ Harmonic Balance Oscillator Resonant Frequency Search ¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨ Harmonic Balance Oscillator Resonant Frequency Search ¨ comme suit :

Choisir une plage de fréquence qui encadre (largement en 1^ière analyse) la fréquence d’oscillation prévue.

Soit, dans le cas de l’exemple de l’oscillateur Colpitts à 90 MHz :

- Dans la case ¨ Start¨, entrer : 50 MHz.

- Dans la case ¨Stop¨, entrer : 150 MHz.

4.4.2 Lancement et affichage des résultats de ¨HB Resonant Frequency Search¨

1 click G / le bouton : Run

ð Affichage des courbes Re{I} et Im{I}, représentées sur la figure 4.3, ainsi que de la fréquence de résonance (ou d’oscillation) dans la case : Resonant Frequencies

Figure 4.3 : Re{I} et Im{I} de l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun représenté figure 3.1.

Deux cas peuvent alors se présenter :

1°. La case : ¨Resonant Frequencies¨ contient une fréquence d’oscillation (Pour l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun, elle doit contenir la valeur : 90.16….MHz). Dans ce cas, le résultat de la recherche est positif, et l’on peut passer à la phase 3.

2°. La case : ¨Resonant Frequencies¨ contient l’indication: ¨No resonant frequency¨ Dans ce cas, le résultat de la recherche est négatif, il faut alors procéder à des modifications au niveau du schéma, ou de la bande de fréquence à analyser, et relancer une ¨HB Resonant Frequency Search¨.

- 1 click G / Close

- 1 click G / Terminer

Þ Création d’un fichier intitulé ¨HB ResonantFreq1¨, sous le répertoire ¨Analysis¨ situé dans l’onglet ¨Project¨.

Très important : Vérifier la présence du fichier intitulé ¨HB ResonantFreq1¨ avant de passer à la phase 3

4.5 Phase 3 : Harmonic Balance Oscillator

4.5.1 Configuration de ¨ Harmonic Balance Oscillator ¨

4.5.1.1 - 1 click D / Analysis /Add Solution Setup Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨ Analysis Setup¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨Analysis Setup ¨ comme suit :

- Dans la case ¨ Analysis Type¨, sélectionner : Harmonic Balance Oscillator.

- Dans la case ¨ Category¨, laisser: ¨1-tone¨.

- Dans la case ¨Analysis Name ¨, laisser le nom donné par défaut.

4.5.1.2 1 click G / Next. Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée:¨ Harmonic Balance Oscillator Analysis, 1-tone¨

4.5.1.3 Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨ Harmonic Balance Oscillator Analysis, 1-tone ¨ en rentrant une plage de fréquences identique à celle employée dans la phase précédente :¨ Harmonic Balance Oscillator Resonant Frequency Search ¨ Þ

- Dans la case ¨ Start¨, entrer : 50 MHz.

- Dans la case ¨Stop¨, entrer : 150 MHz.

- 1 click G / Terminer

4.5.2 Lancement de l’analyse Harmonic Balance Oscillator

- 1 click D / Analysis → Analyze

4.6 Phase 4 :Affichage des résultats de ¨ Harmonic Balance Oscillator¨

Dans le dossier ¨Project¨: 1 click D / Results → Create Report

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Create Report

Compléter la fenêtre: Create Report comme suit :

- Report Type : Standard

- Display Type : Rectangular Plot

- 1 click G / OK

=> Ouverture de la fenêtre intitulée: Traces

4.6.1 Affichage d’un spectre de puissance (sur le port 1)

- Compléter la fenêtre: Traces comme suit :

- Dans la case : Solution, sélectionner : HBOSC1 Tone1

- Dans la case : Domain, sélectionner : Spectral

- Dans la case : Category : sélectionner : Power

- Dans la case : Quantity : sélectionner : PO1

- Dans la case : Function : sélectionner : dBm

- 1 click G / Add Trace

- 1 click G / Done

ð Affichage du spectre de la puissance délivrée sur PO1 (voir figure 4.4)

Figure 4.4 : Spectre de la puissance délivrée sur PO1

4.6.2 Affichage de chronogrammes de tensions et de courants (V_CE, V_BE, I_C)

- Compléter la fenêtre: Traces comme suit :

- Dans la case : Solution, sélectionner : HBOSC1 Tone1

- Dans la case : Domain, sélectionner : Time

Pour afficher (V_CE, V_BE, I_C) sur le même graphe avec une double graduation (V et A):

Pour V_CE, V_BE :

- Dans la case : Category : sélectionner : Voltage

- Dans la case : Quantity : sélectionner : Vce(Q1Q1), ou : Vbe(Q1Q1)

- Dans la case : Function : sélectionner : <none>

- 1 click G / Add Trace

Dans la colonne : Y-axis, Sélectionner → Y1

Pour I_C :

- Dans la case : Category : sélectionner : Current

- Dans la case : Quantity : sélectionner : I_C(Q1Q1)

- Dans la case : Function : sélectionner : <none>

- 1 click G / Add Trace

Dans la colonne : Y-axis, Sélectionner → Y2

- 1 click G / Done

Þ Affichage des chronogrammes des tensions et courants (V_CE, V_BE, I_C)

(voir figure 4.5)

Figure 4.5 : Chronogrammes des tensions et courants (V_CE, V_BE, I_C)

NOTA : Pour afficher plusieurs graphes sur l’écran :

Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Results ¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis :

- Pour le 1° graphe: 1 click D / XP Plot X → Open

- Procéder de même pour les autres graphes.

4.7 Détermination de l’impédance de charge optimale avec l’outil Load Pull Analysis

4.7.1 Avant propos

Avant d’appliquer l’analyse Load Pull à l’oscillateur représenté figure 4.1, il faut effectuer les 2 opérations préliminaires suivantes :

- Vérifier que le schéma de l’oscillateur représenté figure 4.1  se prête bien à une analyse Load Pull, et si ce n’est pas le cas, le modifier en conséquence.

- Lancer une simulation non linéaire Harmonic Balance (Oscillator)

4.7.2 Vérification et modification du schéma de l’oscillateur

1° modification :

Sachant que l’analyse Load Pull sera appliquée sur la sortie de l’oscillateur (Port 1), on peut remarquer sur la figure 4.1 que le condensateur de liaison de 4,7pF présentera pour la fréquence d’oscillation une impédance trop élevée qui compliquera voire faussera l’interprétation des résultats de l’analyse Load Pull.

Pour résoudre ce problème, la solution la plus simple consiste à augmenter la valeur de ce condensateur de liaison de sorte qu’il se comporte comme un court circuit : On choisira par exemple une valeur de 10 nF dans la bibliothèque des composants localisés parfaits ¨Lumped Elements¨

Attention : Ne surtout pas prendre cette valeur de 10 nF dans la bibliothèque ¨Vendor Elements¨, car ce condensateur sera inductif pour la fréquence d’oscillation.

2° modification :

Cette 2° modification est une conséquence de la 1° : En effet, en choisissant un condensateur de liaison qui se comporte comme un court circuit, on connecte directement l’impédance du Port 1 sur l’émetteur du transistor. L’impédance du Port 1 étant par défaut de 50Ω, elle constitue pour l’oscillateur une impédance de charge trop faible qui risque d’empêcher le démarrage des oscillations.

Pour résoudre ce problème, il suffit de configurer le Port 1 avec un impédance élevée, par exemple : Z = 100 000 Ω + j0 Ω.

Après avoir effectué ces 2 modifications, on obtient le schéma représenté sur la figure 4.6.

Figure 4.6. Schéma électrique de l’oscillateur Colpitts en Collecteur Commun après modifications

4.7.3 Lancement d’une simulation non linéaire Harmonic Balance (Oscillator)

Lancer successivement une analyse ¨HB Resonant Frequency Search¨ suivie d’une de ¨ Harmonic Balance Oscillator¨ en répétant les opérations des § 4.4 à 4.6.

Après simulation, on obtient par exemple sur la Port 1 le spectre de puissance représenté sur la figure 4.7.

Figure 4.7 : Spectre de la puissance sur PO1 obtenu avec le schéma de la figure 4.6.

4.7.4 Configuration du Load Pull Analysis

- 2 clicks (G) sur le symbole du port de sortie.

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Port Definition

Compléter la fenêtre: Port Definition comme suit:

- Dans la section : Termination : Entrer : Re = 50, Im =0

- Dans la section: Load Pull Tuner and Reference Node: 1 click G / Create New

ð Ouverture de la fenêtre intitulée: Load Pull Tuner.

Compléter la fenêtre: Load Pull Tuner comme suit:

Laisser les valeurs proposées par défaut:

- Ideal- Re/Im Form

- rdef = 50

- xdef = 0

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Load Pull Tuner

- 1 click G / OK dans la fenêtre: Port Definition

ð Vérifier dans l’onglet ¨Project¨ que le fichier : Load Pull Tuner 1 a été ajouté dans le dossier : Data.

4.7.5 Création du Load Pull Analysis

4.7.5.1 - 1 click D / Analysis /Add Solution Setup Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée: ¨Solution Setup¨

Compléter la boite de dialogue intitulée : ¨Solution Setup ¨ comme suit :

- Dans la case ¨Analysis Type¨, sélectionner : Load Pull Analysis

- Dans la case ¨Analysis Name¨, laisser le nom donné par défaut : Load Pull 1

4.7.5.2 1 click G / Next. Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée:

¨ Load Pull Analysis¨

Vérifier dans la boite de dialogue intitulée : ¨ Load Pull Analysis¨ la présence des données suivantes :

- Case ¨Tuner¨ : Load Pull Tuner 1

- Case ¨HB Analysis to Apply¨ : HBOSC:HBOSC1Tone 1

- Case ¨Harmonic/ Harmonic Cluster to Tune¨ : 1

- Case ¨Sweep Variables¨ :

Name: ZRho, Sweep /Value: LIN 0.1 0.9 0.1

Name: ZAng, Sweep /Value: LIN 0 340 20

- 1 click G / Terminer

4.7.6 LANCEMENT D’UNE ANALYSE LOAD PULL

4.7.6.1 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Analysis ¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis :

1 click (G) sur la croix (+) d’ouverture du dossier ¨Analysis ¨ Þ apparition du sous dossier intitulé ¨Load Pull 1¨

4.7.6.2 Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨ NWA1¨, puis 1 click (D) Þ ouverture d’un menu de sélection: 1 click (G) ou (D) sur : ¨Analyze Load Pull 1¨ Þ Lancement de l’analyse Load Pull 1.

Vérifier l’absence de message d’erreur en bas de l’écran.

4.7.7 VISUALISATION DES RESULTATS DE L’ANALYSE LOAD PULL DANS L’ABAQUE DE SMITH

Avec la souris, amener la flèche sur l’icône du dossier ¨Results¨, (Situé dans l’onglet ¨Project¨ à gauche de l’écran) puis 1 click (D) Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Create Report ¨

Compléter cette boite de dialogue comme suit :

- Report Type : Load Pull

- Display type : Smith Chart

1 click (G) sur ¨OK¨ Þ Ouverture de la boite de dialogue intitulée : ¨Traces ¨

Compléter cette boite de dialogue comme suit :

- Dans la case ¨Solution¨ : Sélectionner: Load Pull 1

- Dans la case ¨Domain¨ : Sélectionner: Loadpull Contour

- Dans la case ¨Category¨ : Sélectionner: Power

- Dans la case ¨Quantity ¨ : Sélectionner: PO1<F1>

- Dans la case ¨Function ¨ : Sélectionner: dBm

1 click (G) sur le bouton : ¨Add Trace¨ Þ Transfert dans la case intitulée ¨Polar ¨, de: PO1<F1>

1 click (G) sur le bouton : ¨Done Þ Affichage des résultats de l’analyse : Load Pull 1 dans l’abaque de SMITH : Voir figure 4.8.

Figure 4.8 : Résultats de l’analyse: Load Pull 1 dans l’abaque de SMITH