Prácticas de CAF en el software de simulación QUCS (Quasi Universal Circuit Simulator)

Francesc Rocadenbosch

Jordi J. Mallorquí

Rev. 1, 22-Oct-2008

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1. INTRODUCCION a QUCS

Para la realización de las prácticas de CAF en QUCS se proporciona la siguiente documentación de soporte, organizada como sigue:

1.1. Manuales

1.a) Getstarted.pdf → Manual “Getting Started” (cómo empezar). Comprende una buena introducción al programa y ejemplos de simulación de circuitos electrónicos básicos y de parámetros S (pp. 38-47).

Para muchos de los ejemplos descritos en este manual, el fichero QUCS_projects_CAF.zip, descargable a través de la página de la asignatura de CAF en Atenea/Moodle incluye los correspondientes ficheros de esquemáticos circuitales (.sch) y de representación gráfica (.dpl). Este manual es más que suficiente para los objetivos de la asignatura.

1.b) Workbook.pdf → Manual detallado de QUCS.

1.c) Descargas e información adicional. Véase http://qucs.sourceforge.net

Permite descargarse las últimas versiones del programa en múltiples sistemas operativos, ejemplos, documentación, etc.

A fecha de redacción, la versión QUCS disponible en la página de CAF/Atenea es la v.0.0.14.

1.2. Ficheros de ejemplo proporcionados 1.2.1 QUCS_projects_CAF.zip

La página de CAF en Atenea/Moodle proporciona un fichero comprimido (QUCS_projects_CAF.zip) que contiene numerosos ejemplos organizados temáticamente por proyectos. Los ejemplos suministrados abarcan tanto de la temática de CAF propiamente dicha (y ampliación de ésta) como circuitos de electrónica básica en general.

Los diferentes esquemáticos se organizan en QUCS como proyectos temáticos. Cada proyecto se instala en una carpeta de usuario y cada carpeta contiene, a su vez, los correspondientes archivos de esquemáticos circuitales (.sch), de representación gráfica (.dpl) y de datos de la simulación “datasets” (.dat).

Los proyectos proporcionados al estudiante a modo de “tutorial” son:

a) /GStarted_RC_filter40_prj → Ejemplos correspondientes a Fig. 40, p. 34 del manual “Getting Started” y p.502 del “Workbook” de QUCS basados en la simulación de un filtro RC paso alto.

b) /GStarted_Transistor_prj → Ejemplos correspondientes a págs. 26, 32, 34, 36, 38 y 44 del manual “Getting Started” donde se abordan los conceptos de:

DC simulation

AC simulation

Parameter sweep (barrido de parámetros)

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en base a ejemplos de simulación de las curvas características de un transistor, frecuencia de tránsito y parámetros S, entre otros.

c) /CAF_practica1_prj → Ejemplo referente a la práctica 1 de la asignatura (“Adaptación de impedancias con CAD de microondas) sobre adaptación de una impedancia mediante una “línea de transmisión + elemento reactivo serie”. Pasos 1, 2 y final del procedimiento de adaptación.

d) /CAF_practica2_prj → Ejemplo de simulación y test de los parámetros S de los transistores ATF_36XXX, utilizados en la práctica 2 de la asignatura (“Diseño de amplificadores con CAD de microondas”).

e) /RF_examples_prj → Ejemplos varios muy interesantes sobre circuitos de radiofrecuencia (entre ellos una línea microstrip –con especificación del substrato-, un divisor de Wilkinson, filtros, y modelo circuital, parámetros S y de ruido de un transistor FET, etc.)

f) /devices → Adicionalmente a los proyectos anteriores (sufijo “_prj”), esta carpeta NO es un proyecto sino una definición de los parámetros S (en formato .s2p compatible con TouchstoneTM) de los diferentes transistores utilizados. El fichero .s2p se puede visualizar con cualquier editor de texto.

1.2.2 Instalación

La Fig.1 muestra cómo instalar (copiar y pegar) los ficheros de proyectos “_prj”) y de dispositivos (“devices”) arriba comentados.

Fig.1 Instalación de las carpetas de proyectos (“_prj”) y de dispositivos (“devices”) de QUCS.

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2. FICHEROS DE SOPORTE A LA PRACTICA 1 DE CAF

Ficheros (.sch, .dpl, .dat):

LT_reactivo_serie_step1, LT_reactivo_serie_step2a, LT_reactivo_serie_final

Descripción:

Los ficheros .sch indicados permiten adaptar la impedancia Ω−= 305.12 jZL a f=3GHz mediante una línea de transmisión de longitud “l” y un elemento reactivo serie. Como sabemos este caso de adaptación tiene dos soluciones.

El fichero LT_reactivo_serie_step1.sch detalla el primer paso del procedimiento de adaptación (Figs. 2-3), correspondiente a la obtención de las dos posibles longitudes de línea solución (la solución se indica en el fichero .dpl mediante marcadores (“markers”) gráficos). El fichero LT_reactivo_serie_step2a.dpl detalla el segundo paso del procedimiento de adaptación, correspondiente a la longitud eléctrica de la línea, º991 =φ , y que permite adaptar mediante una capacidad serie de valor pFC 56.0= . Finalmente, el fichero LT_reactivo serie_final.sch permite simular las dos soluciones del problema en el rango frecuencial de 1-5 GHz.

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Fig. 2 (LT_reactivo_serie_step1.sch) Adaptación de una impedancia mediante línea de transmisión y elemento reactivo serie. (Paso 1) Obtención de la longitud eléctrica de la línea,

1φ (variable “phi1”).

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Fig. 3 (LT_reactivo_serie_step1.dpl) Adaptación de una impedancia mediante línea de transmisión y elemento reactivo serie. (Paso 1) Obtención de la longitud eléctrica de la línea,

1φ (variable “phi1”).

Algunas observaciones importantes:

La versión actual de QUCS (v.0.0.14) obliga a especificar una longitud física (en [m] o en [mm]) de la línea de transmisión para el componente “transmission line”. Dado que es mucho más práctico especificar las líneas por su longitud eléctrica (

effrp

p

cvv

dondel,

,ε

=ω

=ββ=φ ) que por su longitud física, este

inconveniente puede salvarse definiendo la longitud física de la línea mediante un parámetro “l1” (ver LT_reactivo_serie_step1.sch) y utilizando la ecuación auxiliar Eqn3 (en Fig. 2).

La versión actual de QUCS (v.0.0.14) NO proporciona lecturas simultáneas de coeficiente de reflexión e impedancia/admitancia en la carta de Smith. Para salvar este inconveniente, las lecturas simultáneas de coeficiente de reflexión e impedancia normalizada (equivalentemente, S11 y Z_norm, respectivamente, en LT_reactivo_serie_step1.dpl) pueden realizarse mediante la generación de una tabla auxiliar de valores que relacionen estas dos variables (V. Fig.3).

Es posible simular varios circuitos simultáneamente. Concretamente, esta posibilidad resulta de utilidad en LT_reactivo_serie_step1.sch para simular y representar simultáneamente el comportamiento en frecuencia de las dos posibles soluciones de adaptación (Fig. 4). Notemos que en este caso los generadores P1 y P2, llevan a que los coeficientes de reflexión a la entrada de cada uno de estos dos circuitos se llamen, respectivamente, S[1,1] y S[2,2].

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En una simulación de parámetros S en QUCS (“S_parameter”) la variable independiente de simulación es la frecuencia (“frequency”). Esto quiere decir que, si como ocurre en LT_reactivo_serie_step1.sch, interesa representar la variación del parámetro S11 versus la longitud eléctrica de la línea, 1φ (variable de barrido “phi1”), debe crearse un “dataset” específico para estas dos variables mediante la ecuación: S11_linear_vs_phi1= PlotVs(S[1,1],phi1).

Fig. 4 (LT_reactivo_serie_final.dpl) Adaptación de una impedancia mediante línea de transmisión y elemento reactivo serie. (Paso final) Representación del comportamiento en frecuencia en el rango 1-5 GHz para las dos soluciones (azul, pFC 56.0,º991 ==φ y, rojo,

nHL 09.5,º1451 ==φ .

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3. FICHEROS DE SOPORTE A LA PRACTICA 2 DE CAF

Con los conceptos introducidos anteriormente, la metodología de trabajo en QUCS para la práctica 2 (“Diseño de amplificadores con CAD de microondas”) no precisa introducir comandos o ecuaciones sustancialmente distintos.

Para acceder a los parámetros S de los transistores de prácticas (ATF_36077 y ATF_36163) basta –como se ha comentado- visualizar los correspondientes ficheros .sp2 (carpeta “device”) mediante cualquier editor de texto (p. ej. bloc de notas). Notemos que en QUCS estos transistores se declaran como un “file component” (Fig. 5).

Adicionalmente, los ficheros ATF_36XXX_Sim_Test.sch y .dpl permiten representar los parámetros S y factor de estabilidad K para estos transistores (Fig. 6).

Fig. 5 (ATF_36163_Sim_Test.sch) Esquemático para el test de los parámetros S del transistor de RF ATF_36163, declarado como un “file component” (componente via fichero de datos).

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Fig. 6 (ATF_36163_Sim_Test.dpl) Representación gráfica y tabular de los parámetros S del transistor ATF_36163 y del factor de estabilidad K (función “Rollet()”).