用ADS设计VCO介绍

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ADS软件的使用:
· 本章内容是介绍使用ADS软件设计VCO的方法:包括原理图绘制,电路参数的调整优化、仿真等。


下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使用方法。
· 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。
· 设计指标:设计一个压控振荡器,振荡频率在1.8GHz左右。
· 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:
· 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。
· AT41411的主要指标有:
· 低噪音特性:1GHz噪音系数是1.4dB,2GHz噪音系数是1.8dB;
· 高增益:1GHz时增益为18dB,2GHz时增益为13dB;
· 截止频率:7GHz,有足够宽的频带;
· 1.8GHz时最佳噪音特性:Vce=8V,Ic=10mA;


振荡器采用的初始电路:
· 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:
· 在电路原理图窗口中点击,打开Component library
· 按“ctrl+F1”打开搜索对话窗口
· 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
· 把搜索出来的器件拉到电路原理图中,按“Esc”键可以取消当前的动作。
· 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。
· 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“Sources-Time Domain”里面选择V_DC,在lumped components里面选择R。
· 在optim/stat/Yield/DOE类里面选择GOAL,这里需要两个,还有一个OPTIM。
· 在Simulation-DC里面选择一个DC。
· 上面的器件和仿真器都按照下图放好,并连好线。
· 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,如下图中的“Vcb”,“Veb”节点。

· 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 lc=10mA,Vcb=5.3V,如右图所示。
· 设置接在“C极”上的电阻为600,优化范围为100-1000,把电源改为“12V” 。
· 同理,设置接在“E极”上的电阻为400,优化范围为100-1000,把电源改为“-5V” 。
· 按“F7”快捷键进行仿真。
· 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


可变电容VC特性曲线测试:
· 新建一个电路原理图窗口
· 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“Simulation-S_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。
· 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Vbias=5V作为Vbias的初始值。
· 修改电源的属性,使Vdc=Vbias。
· 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”。
· 修改PARAMETER SWEEP的属性,要求扫描变量“Vbias” ,选择Simulatuion1“SP1”,扫描范围为1-10,间隔为0.5。 按“F7”进行电路仿真。
· 在“Date Display”按Eqn,并在对话框里编辑公式。
· 在Eqn中选择C_Varactor ,得到VC曲线和表格。
· 利用Transient Simulation 仿真器仿真从0 到30nsec 的瞬时波形。


结果分析:
· 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:
· 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。
· 设置Vdc=3.8V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。

设置HB仿真器:
· 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,选择计算非线性噪音和调频噪音。
仿真后生成的谐波频率和幅度如下:

相位噪音仿真结果:

功率-频率曲线仿真结果:

VCO设计小结:
· 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。
· 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。
 

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