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1、实验一 压控振荡器VCO的设计(一)实验目的n了解压控振荡器VCO的原理和设计方法n学习使用ADS软件进行VCO的设计,优化和仿真。ADS软件的启动n启动ADS进入如下界面创建新的工程文件n点击File-New Project设置工程文件名称(本例中为Oscillator)及存储路径创建新的工程文件(续)n工程文件创建完毕后主窗口变为下图创建新的工程文件(续)n同时原理图设计窗口打开VCO的设计n设计振荡器这种有源器件,第一步要做的就是管子的选取,设计前必须根据自己的指标确定管子的参数 ,选好三极管和变容二极管;第二步是根据三极管的最佳噪音特性确定直流偏置电路的偏置电阻;第三步是确定变容二极管
2、的VC特性,先由指标(设计的振荡器频率)确定可变电容的值,然后根据VC曲线确定二极管两端直流电压;第四步是进行谐波仿真,分析相位噪音,生成压控曲线,观察设计的振荡器的压控线性度。VCO的设计(续)n设计指标:设计一个压控振荡器,振荡频率在1.8GHz左右。n第一步根据振荡频率确定选用的三极管,因为是压控振荡器,所以还需要一个变容二极管;第二步需要用到ADS的直流仿真;第三步通过S参数仿真确定变容二极管的VC曲线;第四步用HB模块来进行谐波仿真,计算相位噪音。管子的选取n设计的振荡器采用HP 公司生产的AT41411 硅双极管12,变容二极管选MV1404。nAT41411的主要指标有:n低噪音
3、特性:1GHz噪音系数是1.4dB,2GHz噪音系数是1.8dB;n高增益:1GHz时增益为18dB,2GHz时增益为13dB;n截止频率:7GHz,有足够宽的频带;n1.8GHz时最佳噪音特性:Vce8V,Ic10mA;振荡器采用的初始电路n振荡器采用的初始电路如下图所示,图中的三极管、二极管以及电阻电容等器件在ADS的器件库中均可以找到。偏置电路的设计n在电路原理图窗口中点击,打开Component libraryn按“ctrl+F1”打开搜索对话窗口n搜索器件“ph_hp_AT41411”这就是我们在该项目中用到的Agilent公司的晶体管n把搜索出来的器件拉到电路原理图中,按“Esc”
4、键可以取消当前的动作。n选中晶体管,按可以旋转晶体管,把晶体管安放到一个合适的位置。n选择probe components 类,然后在这个类里面选择L_Probe并放在适当的位置,同理可以在“SourcesTime Domain”里面选择V_DC,在lumped components里面选择R。n在optim/stat/Yield/DOE类里面选择GOAL,这里需要两个,还有一个OPTIM。n在SimulationDC里面选择一个DC。n上面的器件和仿真器都按照下图放好,并连好线。 n按NAME钮出现对话框后,可以输入你需要的名字并在你需要的电路图上面点一下,就会自动给电路节点定义名字,如下图
5、中的“Vcb”,“Veb”节点。n n采用双电源供电的方法,设置两个GOAL 来进行两个偏置电阻的优化,考虑到振荡器中三极管的工作状态最好是远离饱和区,还要满足三极管1.8GHz时的最佳噪音特性,所以直流偏置优化的目标是Ic=10mA,Vcb5.3V,如右图所示。n设置接在“C极”上的电阻为600,优化范围为1001000,把电源改为“12V” 。n同理,设置接在“E极”上的电阻为400,优化范围为1001000,把电源改为“5V” 。n按“F7”快捷键进行仿真。n在Data Display窗口,就是新出来的窗口中,按LIST键,选择“R1.R;R2.R”这样就会显示出优化的直流电阻的数值,如
6、下图所示。 可变电容VC特性曲线测试n新建一个电路原理图窗口n如上面的做法一个,建立如右图所示的电路图,其中“Term”、“S-PARAMETE”、“PARAMETER SWEEP”都可以在“SimulationS_Param”里面找到。变容管的型号是“MV1404”可以在器件库里面找到,方法可以参考上面查找晶体管的方法。n按VAR键并双击它,修改里面的项目,定义一个名为:“Vbias”的变量,设置Vbias5V作为Vbias的初始值。n修改电源的属性,使VdcVbias。n修改S参数的属性,设置单点扫描频率点1.8GHz,并计算“Z参数”。n修改PARAMETER SWEEP的属性,要求扫描
7、变量“Vbias” ,选择Simulatuion1“SP1”,扫描范围为110,间隔为0.5。 n按“F7”进行电路仿真。n在“Date Display”按Eqn,并在对话框里编辑公式为: n在Eqn中选择C_Varactor ,得到VC曲线和表格如下:VC特性曲线瞬态仿真电路图n利用Transient Simulation 仿真器仿真从0 到30nsec 的瞬时波形, 如下图所示:n注意:记得一定要添加“Vout”这个节点名称 n按“F7”开始仿真。n在出来的“Data Display”窗口里面,输出“Vout”的瞬时波形,按 ,并“new”一个新的n“Marker”,在“Vout”的瞬时波
8、形图中,点击一下,然后移动鼠标,把“marker”移动到需要的地方,就可以看到该点的具体数值。 n结果如下图所示:n按Eqn编辑公式:n这表示要对“Vout”在“Marker”m3,m4之间进行一个频率变换,这样出来的“Spectrum”就是m3和m4之间的频谱。 n输出Spectrum的图形,可以看到m3和m4之间的频谱分量,加入“marker”m5就可以知道振荡器大概振荡的频率,如下图:n 结果分析n从波形可以看到,振荡器已经很稳定地振荡起来了,并且有一定的振荡时间,从抽出两点m3,m4的数据可以看出,该振荡波形是相当稳定的,幅度差可以不必考虑,频谱纯度也较高,对m3和m4这段时域进行fs
9、变换,可以看到振荡器振荡频率的频谱,从m5标记的数值可以看出,该振荡器的振荡频率为1.850GHz,与设计的指标1.8GHz有差距,需要进行调整。 调整优化的结果n由于VCO的振荡频率由变容二极管所在的谐振网络的谐振频率决定,经计算得到当变容二极管的电容为8.25pF时,谐振频率为1.8GHz,此时由前面得到的VC曲线可以看到对应的二极管直流偏置电压为3.8V。n设置Vdc3.8V后仿真得到的图形如右图,从图中可以看到该振荡器的振荡频率为1.799GHz,符合设计要求。 n 设置HB仿真器n利用ADS里面的 HB simulation可以仿真振荡器的相位噪音,如下图设置好HB仿真器,选择计算非
10、线性噪音和调频噪音。n 谐波平衡仿真电路图n在振荡器里面加入一个Oscport器件配合使用,接在反馈网络和谐振网络之间,这是谐波平衡法仿真相位噪音的需要。其中“OscPort”是在类“Simulation-HB”里面。另外,考虑到该器件的频率隔离度不够高,所以可以在输出端加一个带通滤波器。如下图所示:n 谐波频率和幅度 n仿真后生成的谐波频率和幅度如下:相位噪音仿真结果n其中,anmx是调幅噪音,单位是dBc/Hz;pnfm是附加相位噪音,单位是dBc/Hz ;pnmx是相位噪音,单位是dBc/Hz 。 相位噪音的具体数值 VCO振荡频率线性度分析 n把控制变容管电压的电源属性修改一下,“Vd
11、c”设置为变量“Vtune”,增加一个VAR变量“Vtune” n修改谐波平衡仿真器,这时不计算噪音,只是扫描变量“Vtune”,所以可以把最后一行的“Nonlinear noise”不给予选上。新得到的HB仿真器如右图: n n在“Date Display”里点Rectangular Plot,弹出对话框后点Advanced键,输入sweep1.freq1,点击OK后生成图形如右图所示,从图中可以看到压控的线性度还是可以的,当Vtune3.75V时,振荡器的输出频率为1.796GHz。 功率频率曲线 ADS使用小结n以上详细介绍了用ADS设计微波振荡器的过程,在设计过程中的一个最大的体会是A
12、DS软件本身功能强大,但是学习入门比较困难,而且用ADS设计振荡器的资料很少,实际设计时会遇到各种各样的问题,多看Help是最好的解决方法。帮助里面的查找功能是非常强大的,基本上在ADS上遇到的问题都可以从帮助里面找到答案,另外ADS器件库的搜索速度虽然比较慢,但还是很好用的,如果有什么器件一时找不到,建议使用器件库来搜索。 VCO设计小结n设计过程中要考虑的首要问题就是管子的选取,设计前必须根据自己的指标确定管子的参数,从后来的设计来看,管子选得不好是很难达到预定目标的。 n设计振荡器最重要的是使振荡频率满足预定的指标,而在这次的压控振荡器设计中与振荡器频率直接相关的有两个参数,一个是变容二
13、极管的偏置电压,由变容二极管的VC曲线决定;另一个是振荡器的反馈电感。在设计过程中经过多次调整这两个参数才能使振荡频率达到1.8GHz。 n噪声分析也是振荡器设计的一个重要的方面。设计过程中必须明确要计算哪些噪声,并合理设置好噪声频率间隔。n在电路中加入滤波器是为了增加频率的隔离度,但是此滤波器对于后来生成的压控曲线影响很大。不去掉滤波器而直接仿真得到的曲线并不是线性的,原因是滤波器的通带比压控的频率范围小,而去掉滤波器后生成的压控曲线的线性度很好,符合VCO的设计要求。 思考题n改变振荡器直流偏置的条件,分析不同的直流偏置电阻对振荡器工作的影响。nVCO的频率稳定度和频谱纯度由哪几个因素决定?如何在ADS中进行测量?