Método de análisis y diseño de circuitos.

Método de análisis y diseño de circuitos.

La presente invención propone un método para el análisis y posterior diseño de circuitos,

que permite obtener las curvas de solución del circuito y los puntos de bifurcación y otros puntos de interés de los circuitos de manera simple, rápida y fiable. El método se basa en los datos obtenidos con una simulación inicial de balance armónico, utilizando un generador de excitación, distinto del generador de entrada, que actúa como fuente de excitación del circuito. Un doble barrido en amplitud y frecuencia de este generador proporciona una función tipo admitancia o impedancia de estas dos variables (amplitud y frecuencia), que permite obtener todos los puntos de interés del circuito y todas las curvas de solución periódicas.

DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con unos ejemplos preferentes de realizaciones prácticas de ia misma, se acompaña como parte integrante de esta descripción un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente;

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques con una representación modelo basada en

admitancia del circuito usando un equivalente Norton del generador de entrada de acuerdo a una realización de la invención.

La Figura 2 muestra un diagrama de bloques con una representación modelo basada en ¡mpedancia del circuito usando un equivalente Thévenin del generador de entrada de acuerdo a una realización de la invención.

La Figura 3 muestra un diagrama de bloques de una representación modelo para la obtención de la función de admitancia mediante un generador auxiliar de acuerdo a una realización de la invención.

La Figura 4a muestra un diagrama de bloques con una representación modelo del circuito a analizar para el caso generalizado del método de acuerdo a una realización de la invención.

La Figura 4b muestra un diagrama de bloques con una representación modelo basada en admitancia del circuito a analizar usando un equivalente Norton de la red de entrada para el caso generalizado del método de acuerdo a una realización de la invención.

La Figura 4c muestra un diagrama de bloques de una representación modelo para la correcta obtención de la función de admitancia interna mediante un generador auxiliar para el caso generalizado del método de acuerdo a una realización de la invención.

La Figura 5 muestra el esquemático de un circuito concreto de oscilador sincronizado donde se aplicará el método propuesto de acuerdo a una realización de la invención.

La figura 6 muestra una representación gráfica de la superficie £ (tu, V) respecto a los ejes de amplitud de tensión V y frecuencia w obtenida para el circuito mostrado en la figura 5 de acuerdo a una realización de la invención.

La figura 7 muestra una representación gráfica, para distintos niveles de potencia de entrada, de las curvas de solución periódicas y otros puntos y lugares geométricos de interés obtenidos

para ei circuito mostrado en la figura 5 de acuerdo a una realización de la invención.

La figura 8 muestra una representación gráfica en el plano definido por la corriente de inyección y la frecuencia de entrada, de los lugares geométricos def punto de retorno, de la bifurcación de Hopf y otros puntos de interés obtenidos para el circuito mostrado en la figura 5 de acuerdo a una realización de la invención.

La figura 9 muestra una representación gráfica dei ancho de banda máximo de sincronización disponible en función de la potencia de entrada para el modo 1 de oscilación del circuito mostrado en la figura 5 de acuerdo a una realización de la invención.

La figura 10 muestra una representación gráfica del ancho de banda máximo de sincronización disponible en función de la potencia de entrada para el modo 3 de oscilación del circuito mostrado en la figura 5 de acuerdo a una realización de la invención.

La figura 11 muestra un esquema del lugar geométrico del punto de retorno en el plano definido por la corriente de inyección y la frecuencia de entrada para ilustrar el procedimiento de cálculo del ancho de banda de sincronización, de acuerdo a una realización de la invención.

La figura 12 muestra un esquema con unas curvas de solución en la que se ha delimitado la región con comportamiento sincronizado para ilustrar el procedimiento de cálculo del ancho de banda de sincronización, de acuerdo a una realización de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone método, ejecutado en un dispositivo electrónico, para el análisis y posterior diseño (basado en los resultados de dicho análisis) de circuitos electrónicos complejos.

Mediante el presente método de análisis se obtienen las curvas de solución del circuito y los puntos de bifurcación de las curvas de solución. El método se basa en los datos obtenidos

con una única simulación inicial de balance armónico, utilizando un generador auxiliar de excitación. Un doble barrido en la amplitud y frecuencia de este generador proporciona una función tipo admitancia o impedancia de estas dos variables (amplitud y frecuencia), que permite obtener todos los puntos de oscilación libre y todas las curvas de solución periódicas, incluyendo las complejas curvas multivaluadas. Este método permite obtener el punto de fusión de las curvas de solución que (como ocurre por ejemplo en los circuitos de osciladores sincronizados), se funden en una sola a partir de un cierto valor de la potencia de entrada. Permite también obtener el lugar formado por todos los puntos de pendiente infinita (lugar del punto de retorno) y la variación del ancho de banda de sincronización en función de la potencia de entrada o de cualquier otro parámetro. Todos estos valiosos datos del comportamiento del circuito se obtienen a partir de la función admitancia/impedancia calculada con la simulación inicial, siguiendo el método que se describirá más adelante.

Primeramente, se obtienen las curvas de solución del circuito. Para ello el circuito complejo a analizar (que puede ser por ejemplo un circuito de oscilador sincronizado) se modela como la conexión en paralelo del equivalente Norton del generador de entrada con un bloque (12) que representa al circuito a analizar. Este circuito modelo se representa en la figura 1. El equivalente Norton del generador de entrada de la figura 1 (11) opera a la frecuencia fundamental de entrada a>s con una amplitud de corriente ls y una impedancia equivalente Zs. El bloque del circuito (de complejidad arbitraria) se describe mediante una función admitancia bidimensional (Y (w, V)) dependiente de la frecuencia w y de la amplitud de la diferencia de potencial entre terminales V (que será un voltaje de oscilación, si el circuito que se está analizando es un oscilador).

En algunos casos, puede ser más interesante, para obtener las curvas de solución del circuito, modelar el circuito a analizar como la conexión serie (ver figura 2) del equivalente Thévenin del generador de entrada con un bloque del circuito oscilador modelado por una función impedancia (22) Z (oj, I), dependiente ésta de la frecuencia u y de amplitud de la corriente que circula por el lazo I. El equivalente Thévenin del generador de entrada de la figura 2 (21) opera a la frecuencia fundamental de entrada o>t, con una amplitud de voltaje Vs y una impedancia equivalente Z$.

Para una mayor claridad y concisión, se explicará ia solución propuesta basándose en la representación en paralelo (es decir, en el equivalente Norton del generador de entrada expuesto en la figura 1). La extensión del método descrito a una representación serie del circuito es inmediata: la solución en el caso serie es la misma que se expondrá aquí para la representación paralelo, sólo que la excitación del circuito se realiza con un generador auxiliar de comente en serie en vez de con un generador auxiliar de tensión en paralelo y la función impedancia obtenida dependería de la amplitud de la corriente de lazo I en vez de la amplitud de la tensión entre terminales V, como ocurre con ia función admitancia.

La función admitancia se obtiene por medio de una simulación de balance armónico mediante un generador auxiliar (GA) de voltaje eliminando del circuito la fuente de corriente equivalente del generador de entrada (11). El generador auxiliar de voltaje (se le llama auxiliar porque no pertenece al circuito, sino que se le añade externamente) permite excitar al circuito correctamente (ya que incorpora un filtro que evita cortocircuitar los armónicos superiores) para extraer la función admitancia (por eso en este texto se le llama también generador auxiliar de excitación).

En otras palabras, este generador auxiliar de admitancia consta de una fuente sinusoidal de tensión (31) que cuenta con un filtro en serie para evitar que la fuente cortocircuite la de y los armónicos superiores. El filtro se puede realizar mediante una resistencia Rga de valor variable dependiendo de la frecuencia. Para un generador auxiliar de admitancia, la resistencia Rga se coloca en serie con la fuente de tensión y toma un valor arbitrariamente bajo a la frecuencia fundamental del generador auxiliar y un valor muy grande (próximo a infinito) a otras frecuencias.

En muchos casos, este generador auxiliar de excitación puede conectarse directamente...

1. Método para el análisis y diseño de un circuito electrónico no lineal de alta frecuencia en presencia de una señal de entrada periódica, donde un generador de entrada está conectado a unos terminales de entrada del circuito y donde dicho método es realizado por un dispositivo electrónico y comprende los siguientes pasos:

a) Calcular el equivalente Norton del conjunto formado por el generador de entrada y la sección del circuito que existe entre los terminales de entrada y unos segundos terminales del circuito previamente seleccionados y modelar el circuito como la conexión en paralelo de este equivalente Norton con el resto de! circuito;

b) Eliminar la fuente de corriente equivalente del equivalente Norton y conectar un generador auxiliar de voltaje entre los segundos terminales del circuito;

c) Usando una técnica de balance armónico, excitar el circuito mediante el generador auxiliar, haciendo un doble barrido variando la frecuencia de! generador auxiliar, w y la amplitud del voltaje proporcionado por el generador auxiliar, V, y obtener los valores de la función admitancia Y(u), V) entre los segundos terminales det circuito, como resultado de este barrido;

d) A partir de la función de admitancia Y(üí, V), obtener la función £(w,V)=[ Y«ftü)+Yftu, W¡V, donde Yn feo) es la admitancia del equivalente Norton obtenido en e! paso a);

e) Obtener las curvas periódicas de solución del circuito y/o otros datos de interés de! circuito a partir de la función £(w,V).

2. Un método según la reivindicación 1, donde los segundos terminales del circuito coinciden con los terminales de entrada y, por lo tanto, el equivalente Norton calculado en el paso a) correspondería al equivalente Norton del generador de entrada.

3. Un método según la reivindicación 1, donde la sección del circuito que existe entre tos terminales de entrada y los segundos terminales del circuito, no incluye ningún elemento

activo.

4. Un método según cualquiera de ías reivindicaciones anteriores, donde el paso e)

comprende:

Obtener las curvas de solución del circuito como las curvas de nivel de la función X para distintos valores de potencia de entrada.

5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el paso e) comprende:

Obtener el lugar del punto de retomo como el conjunto de pares de valores frecuencia, amplitud de voltaje, en los que la derivada parcial de X con respecto de V es cero.

6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el paso e) comprende:

Obtener los puntos estacionarios del circuito como aquellos pares de valores frecuencia, amplitud de voltaje, en los que la derivada parcial de X con respecto de V es cero y la derivada parcial de X con respecto de w es también cero.

7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el paso e) comprende:

Obtener las soluciones libres del circuito como aquellos pares de valores frecuencia, amplitud de voltaje, en los que la parte real y la parte imaginaria de la admitancia Y(u>,V) tienen ambas valor cero.

8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el paso e) comprende:

Obtener el ancho de banda máximo de sincronización disponible como la diferencia en

frecuencia de los dos puntos del lugar del punto de retorno cuando es representado en el plano frecuencia-amplitud de la corriente de inyección del generador de entrada.

9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el paso de calcular el equivalente Norton implica hacer una simulación de parámetros de scattering" de la sección dei circuito que existe entre los terminales de entrada y los segundos terminales del circuito.

10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde, previo a! paso c), se le añade al circuito un filtro paso alto entre los segundos terminales y la sección del circuito que existe entre los segundos terminales y los terminales de entrada.

11 Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el circuito analizado es un circuito oscilador con señales de entrada periódica o un circuito divisor de frecuencia o un circuito oscilador sincronizado o un circuito paramétrico.

12. Un método según cualquiera de tas reivindicaciones anteriores donde dicho dispositivo electrónico es un ordenador o cualquier otro tipo de dispositivo electrónico con capacidad de procesamiento.

13. Método para el análisis y diseño de un circuito electrónico no lineal de alta frecuencia en presencia de una seña! de entrada periódica emitida por un generador de donde un generador de entrada está conectado a unos terminales de entrada del circuito y donde dicho método es realizado por un dispositivo electrónico y comprende los siguientes pasos:

a) Calcular el equivalente Thevenin del conjunto formado por el generador de entrada y la sección del circuito que existe entre los terminales de entrada y unos segundos terminales del circuito previamente seleccionados, y modelar el circuito como la conexión en serie de este equivalente Thevenin con el resto del circuito;

b) Cortocircuitar la fuente de tensión equivalente Thevenin y conectar un generador auxiliar de comente entre los segundos terminales del circuito;

c) Usando una técnica de balance armónico, excitar el circuito mediante e! generador auxiliar, haciendo un doble barrido variando la frecuencia del generador auxiliar, w y la amplitud de corriente proporcionada por el generador auxiliar, I, y obtener los valores de la función

impedancia Z{u;, I) entre los segundos terminales del circuito, como resultado de este barrido;

d) A partir de la función de impedancia Z(a>, I), obtener la función Jm(^,\)~\ZT(aj)+Z(cü,l)\\, donde Zt (oj) es la impedancia del equivalente Thevenin obtenido en el paso a);

e) Obtener las curvas periódicas de solución del circuito y/o otros datos de interés del circuito a partir de la función £(w,l).

14. Un programa de ordenador que comprende instrucciones ejecutables por ordenador para implementar el método según cualquiera de las reivindicaciones 1-13, al ejecutarse en un

ordenador, un procesador digital de la señal, un circuito integrado específico de la aplicación, un microprocesador, un microcontrolador o cualquier otra forma de hardware programable.

15. Un medio de almacenamiento de datos digitales que almacena instrucciones ejecutables por ordenador para implementar ei método según cualquiera de las reivindicaciones 1-13.