用ADS設(shè)計(jì)VCO

ADS軟件的使用：
· 本章內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計(jì)VCO的方法：包括原理圖繪制，電路參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化、仿真等。

下面開始按順序詳細(xì)介紹ADS軟件的使用方法。
· 設(shè)計(jì)振蕩器這種有源器件，第一步要做的就是管子的選取，設(shè)計(jì)前必須根據(jù)自己的指標(biāo)確定管子的參數(shù) ，選好三極管和變?nèi)荻O管；第二步是根據(jù)三極管的最佳噪音特性確定直流偏置電路的偏置電阻；第三步是確定變?nèi)荻O管的VC特性，先由指標(biāo)（設(shè)計(jì)的振蕩器頻率）確定可變電容的值，然后根據(jù)VC曲線確定二極管兩端直流電壓；第四步是進(jìn)行諧波仿真，分析相位噪音，生成壓控曲線，觀察設(shè)計(jì)的振蕩器的壓控線性度。
· 設(shè)計(jì)指標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)壓控振蕩器，振蕩頻率在1.8GHz左右。
· 第一步根據(jù)振蕩頻率確定選用的三極管，因?yàn)槭菈嚎卣袷幤?，所以還需要一個(gè)變?nèi)荻O管；第二步需要用到ADS的直流仿真；第三步通過S參數(shù)仿真確定變?nèi)荻O管的VC曲線；第四步用HB模塊來進(jìn)行諧波仿真，計(jì)算相位噪音。

管子的選取：
· 設(shè)計(jì)的振蕩器采用HP 公司生產(chǎn)的AT41411 硅雙極管[12]，變?nèi)荻O管選MV1404。
· AT41411的主要指標(biāo)有：
· 低噪音特性：1GHz噪音系數(shù)是1.4dB，2GHz噪音系數(shù)是1.8dB；
· 高增益：1GHz時(shí)增益為18dB，2GHz時(shí)增益為13dB；
· 截止頻率：7GHz，有足夠?qū)挼念l帶；
· 1.8GHz時(shí)最佳噪音特性：Vce＝8V，Ic＝10mA；

振蕩器采用的初始電路：
· 振蕩器采用的初始電路如下圖所示，圖中的三極管、二極管以及電阻電容等器件在ADS的器件庫中均可以找到。

偏置電路的設(shè)計(jì):
· 在電路原理圖窗口中點(diǎn)擊，打開Component library
· 按“ctrl+F1”打開搜索對(duì)話窗口
· 搜索器件“ph_hp_AT41411”這就是我們在該項(xiàng)目中用到的Agilent公司的晶體管
· 把搜索出來的器件拉到電路原理圖中，按“Esc”鍵可以取消當(dāng)前的動(dòng)作。
· 選中晶體管，按可以旋轉(zhuǎn)晶體管，把晶體管安放到一個(gè)合適的位置。
· 選擇probe components 類，然后在這個(gè)類里面選擇L_Probe并放在適當(dāng)?shù)奈恢?，同理可以?ldquo;Sources－Time Domain”里面選擇V_DC，在lumped components里面選擇R。
· 在optim/stat/Yield/DOE類里面選擇GOAL，這里需要兩個(gè)，還有一個(gè)OPTIM。
· 在Simulation－DC里面選擇一個(gè)DC。
· 上面的器件和仿真器都按照下圖放好，并連好線。
· 按NAME鈕出現(xiàn)對(duì)話框后，可以輸入你需要的名字并在你需要的電路圖上面點(diǎn)一下，就會(huì)自動(dòng)給電路節(jié)點(diǎn)定義名字，如下圖中的“Vcb”，“Veb”節(jié)點(diǎn)。

· 采用雙電源供電的方法，設(shè)置兩個(gè)GOAL 來進(jìn)行兩個(gè)偏置電阻的優(yōu)化，考慮到振蕩器中三極管的工作狀態(tài)最好是遠(yuǎn)離飽和區(qū)，還要滿足三極管1.8GHz時(shí)的最佳噪音特性，所以直流偏置優(yōu)化的目標(biāo)是 lc=10mA，Vcb＝5.3V，如右圖所示。
· 設(shè)置接在“C極”上的電阻為600，優(yōu)化范圍為100－1000，把電源改為“12V” 。
· 同理，設(shè)置接在“E極”上的電阻為400，優(yōu)化范圍為100－1000，把電源改為“－5V” 。
· 按“F7”快捷鍵進(jìn)行仿真。
· 在Data Display窗口，就是新出來的窗口中，按LIST鍵，選擇“R1.R；R2.R”這樣就會(huì)顯示出優(yōu)化的直流電阻的數(shù)值

可變電容VC特性曲線測試：
· 新建一個(gè)電路原理圖窗口
· 如上面的做法一個(gè)，建立如右圖所示的電路圖，其中“Term”、“S-PARAMETE”、“PARAMETER SWEEP”都可以在“Simulation－S_Param”里面找到。變?nèi)莨艿男吞?hào)是“MV1404”可以在器件庫里面找到，方法可以參考上面查找晶體管的方法。
· 按VAR鍵并雙擊它，修改里面的項(xiàng)目，定義一個(gè)名為：“Vbias”的變量，設(shè)置Vbias＝5V作為Vbias的初始值。
· 修改電源的屬性，使Vdc＝Vbias。
· 修改S參數(shù)的屬性，設(shè)置單點(diǎn)掃描頻率點(diǎn)1.8GHz，并計(jì)算“Z參數(shù)”。
· 修改PARAMETER SWEEP的屬性，要求掃描變量“Vbias” ，選擇Simulatuion1“SP1”，掃描范圍為1－10，間隔為0.5。 按“F7”進(jìn)行電路仿真。
· 在“Date Display”按Eqn，并在對(duì)話框里編輯公式。
· 在Eqn中選擇C_Varactor ，得到VC曲線和表格。
· 利用Transient Simulation 仿真器仿真從0 到30nsec 的瞬時(shí)波形。

結(jié)果分析:
· 從波形可以看到，振蕩器已經(jīng)很穩(wěn)定地振蕩起來了，并且有一定的振蕩時(shí)間，從抽出兩點(diǎn)m3，m4的數(shù)據(jù)可以看出，該振蕩波形是相當(dāng)穩(wěn)定的，幅度差可以不必考慮，頻譜純度也較高，對(duì)m3和m4這段時(shí)域進(jìn)行fs變換，可以看到振蕩器振蕩頻率的頻譜，從m5標(biāo)記的數(shù)值可以看出，該振蕩器的振蕩頻率為 1.850GHz，與設(shè)計(jì)的指標(biāo)1.8GHz有差距，需要進(jìn)行調(diào)整。

調(diào)整優(yōu)化的結(jié)果:
· 由于VCO的振蕩頻率由變?nèi)荻O管所在的諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率決定，經(jīng)計(jì)算得到當(dāng)變?nèi)荻O管的電容為8.25pF時(shí)，諧振頻率為1.8GHz，此時(shí)由前面得到的VC曲線可以看到對(duì)應(yīng)的二極管直流偏置電壓為3.8V。
· 設(shè)置Vdc＝3.8V后仿真得到的圖形如右圖，從圖中可以看到該振蕩器的振蕩頻率為1.799GHz，符合設(shè)計(jì)要求。

設(shè)置HB仿真器：
· 利用ADS里面的 HB simulation可以仿真振蕩器的相位噪音，如下圖設(shè)置好HB仿真器，選擇計(jì)算非線性噪音和調(diào)頻噪音。
仿真后生成的諧波頻率和幅度如下：

相位噪音仿真結(jié)果：

功率－頻率曲線仿真結(jié)果：

VCO設(shè)計(jì)小結(jié)：
· 設(shè)計(jì)過程中要考慮的首要問題就是管子的選取，設(shè)計(jì)前必須根據(jù)自己的指標(biāo)確定管子的參數(shù)，從后來的設(shè)計(jì)來看，管子選得不好是很難達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的。
· 設(shè)計(jì)振蕩器最重要的是使振蕩頻率滿足預(yù)定的指標(biāo)，而在這次的壓控振蕩器設(shè)計(jì)中與振蕩器頻率直接相關(guān)的有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是變?nèi)荻O管的偏置電壓，由變?nèi)荻O管的VC曲線決定；另一個(gè)是振蕩器的反饋電感。在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)過多次調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)才能使振蕩頻率達(dá)到1.8GHz。