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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？
