应用ADS设计VCO

应用ADS设计VCO1.振荡器的基本知识和相关指标1.1振荡器的分类：微波振荡器按器件来分可以分为：双极晶体管振荡器；场效应管振荡器；微波二极管(踢效应管、雪崩管等)振荡器。按照调谐方式分可以分为：机械调谐振荡器；偏置调谐振荡器；变容管调谐振荡器；YIG调谐振荡器；数字调谐振荡器；光调谐振荡器。1.2振荡器的主要指标：①振荡器的稳定度：这里面包括：频率准确度、频率稳定度、长期稳定度、短期稳定度和初始漂移。频率准确度是指振荡器实际工作频率与标称频率之间的偏差。有绝对频率准确度和相对频率准确度两种方法表示。绝对频率准确度：)(0Hzfff其中f－实际工作频率；0f－标称频率。相对频率准确度式绝对频率准确度与标称频率准确度的比值，计算公式为：)(000Hzfffff②频率稳定度：频率稳定度是指在规定的时间间隔内，频率准确度变化的最大值，也有两种表示方法：绝对频率稳定度和相对频率稳定度。频率稳定度还可以分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度。③调频噪音和相位噪音：在振荡器电路中，由于存在各种不确定因素的影响，使振荡频率和振荡幅度随机起伏。振荡频率的随机起伏称为瞬间频率稳定度，频率的瞬间变化将产生调频噪音、相位噪音和相位抖动。振荡幅度的随机欺负将引起调幅噪音。一次，振荡器在没有外加调制时，输出的频率不仅含振荡频率f0，在f0附近还包含有许多旁频，连续分布在f0两边。如下图所示，纵坐标是功率，f0处是载波，两边是噪音功率，包括调频噪音功率和调幅噪音功率。图1正弦信号的噪声边带频谱图2相位噪声的定义如图2所示，（单边带）相位噪声通常用在相对于载波某一频偏处，相对于载波电平的归一化1Hz带宽的功率谱密度表示（dBc/Hz）。1.3振荡器的物理模型下图所示的是振荡器的物理模型，主要由谐振网络、晶体管和输入网络这三部分组成。图3本节论述的振荡器采用共基极反馈振荡器，这种类型的振荡器的物理模型如下图所示。图4图5电路组态在微波频率范围内的低频端，常应用集中元件构成振荡器，基本的振荡器电路组态有三种：考毕兹型、哈特莱型及克拉泼型振荡器。如图5所示。考毕兹型(a)应用一电容器作为调谐电路中的分压器，以提供适当的回授能量。哈特莱型(b)应用一抽头式电感调谐电路，而克拉泼型振荡器(c)则相似于考毕兹型，不同的式另外用了一只电容与电感相串连，以改善频率稳定性。在较高的微波频段内，晶体管的极间电容、包括封装寄生电容可提供部分或者全部的回授作用。另外加入反馈网络的目的，则在于增加负阻电阻值，以获得最佳功率输出。振荡器的直流偏置：微波双极晶体管、场效应晶体管偏置电路的设计如同振荡器的射频电路设计一样重要。因为它关系到微波振荡的稳定性、相位噪音、功率、效率的高低，故应当正确设计偏置电路，并选择最佳直流工作点，以达到最高的射频性能。设计的原则取决于应用。例如用作低噪声振荡器：采用硅双极晶体管时Vce可以在5－10V、Ice可在3－8mA内选择；采用砷化镓场效应管时VDS大概为3.5V，IDS大概为8－10mA，一般选择相当低的漏源电压VDS和电源IDS。1.4微固态振荡源的设计方法微固态振荡源的传统设计方法，是设计者从给定的技术指标出发，选择振荡器件及电路形式，按简化的等效电路或图解方法，按照现有的设计资料或者以往的经验，初步设计制成电路，调测其特性，然后根据所测性能与技术要求进行比较。如果不满足给定指标，再修改电路直到满足要求为止。而引入了微波电路设计CAD后，这个过程可以作出适当的调整，调整为：定模、分析、最优化。2设计目标设计一个VCO，要求工作在2.3GHz左右，带宽为400MHz左右。3硅双极性管等效模型分析模型本节的振荡器采用HP公司生产的AT41411硅双极管。主要的指标有：低噪音特性：1GHz时噪音系数是1.4dB；2GHz时噪音系数是1.8dB；高增益：1GHz是增益为18dB；2GHz时增益为13dB；截至频率是：7GHz，有足够宽的频带；直流偏置：Vce＝8V；Ic＝10mA封装形式：STO143因为该振荡器工作的频率有2GHz这么高，这个时候晶体管之间的结电容和封装管子引入的引线电感和分布电容就必须要考虑了。图6是双极性硅管的高频信号模型，具体的典型参数值在后表。图7是考虑了封装后的双极性硅管的高频信号模型，具体的典型参数值也见后表。由于这些参数HP公司是没有提供的，只提供了S参数，所以我们不能用这种小信号模型来做仿真，只能利用这些小信号模型来估算振荡器其他部件的参数值。HP_AT41411在ADS的器件库里面带有，可以直接使用。图6图7符号元件名典型值Re2发射极扩展电阻8.6ohmRe1发射极空间电荷电阻0.7ohmRs集电极扩展电阻7.0ohmCe发射极－基极结电容1.0pFCc集电极－发射极电容0.005pFCce集电极－发射极电容0.05pFRb基极扩展电阻14.7ohmαo零频率是共基极电流放大倍数0.99表1硅双极管管芯等效电路元件典型值符号元件名典型值C1、C2各封装点之间的电容C1:0.06-0.1pFC2:0.01-0.012pFC3:0.001-0.003pFC4:0.01-0.013pFC3、C4C5输出、输入端之间的电容0.005pFL1、L4参考面与封装边缘之间的引线电感L1:0.2-0.3nH；L4:0.4-0.6nHL2、L3封装边缘与金属丝接点之间的引线电感0.2-0.5nHL5芯片至发射极端子的金丝电感0.3-0.6nH表2封装参数典型值4确定实际电路图8是本节振荡器采用的具体电路，其电路结构如图9所示图8图9把结电容和封装电感、电容考虑进去后，振荡器的谐振回路等效为图10所示，这样需要设计的只有：偏置电路、变容管的VC特性和振荡器的调试以及相位噪音分析。图10谐振回路等效电路5具体设计过程5.1创建一个新项目◇启动ADS◇选择Mainwindows◇菜单－File－NewProject，然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名◇点击“ok”这样就创建了一个新项目。◇点击，新建一个电路原理图窗口，开始设计振荡器。5.2偏置电路设计◇在电路原理图窗口中点击，打开Componentlibrary◇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。◇在中选择probecomponents类，然后在这个类里面选择并安放在适当的位置，同理可以在“Sources－TimeDomain”里面选择，在lumpedcomponents里面选择，并按照图11放好。◇在optim/stat/Yield/DOE类里面选择，这里需要两个，还有一个◇在Simulation－DC里面选择一个◇上面的器件和仿真器都按照下图11放好，并单击连好线◇按这时会出现一个这样的对话框，输入你需要的名字并在你需要的电路图上面点一下，就会自动给电路接点定义名字，如图11所示定义“Vcb”，“Veb”节点名称图11直流偏置计算◇双极，把该I_Probe的名称改为ICC◇同样，另外一个接晶体管S极的I_Probe改为“IEE”◇双击其中一个并修改里面的内容，如图12所示图12◇双击另外一个，并修改里面的内容如图13所示图13◇双击并把里面的OptimizationType修改为“Gradient”类型◇把接在“C极”上的电阻改为，把电源改为“12V”◇把接在“S极”上的电阻改为，把电源改为“－5V”◇按“F7”快捷键进行仿真◇在DataDisplay窗口，就是新出来的窗口中，按键，会选择“R.R1；R.R2”这样就会显示出优化的直流电阻的数值，如图14所示。图145.3变容管测量◇新建一个电路原理图窗口◇如上面的做法一个，建立如图15所示的电路图，其中“Term”、“S-PARAMETE”、“PARAMETERSWEEP”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。图15可变电容VC曲线测量◇按并双击它，修改里面的项目，定义一个名为：“Vbias”的变量◇修改电源的属性，把Vdc改为“Vbias”◇双击，并修改属性，要求单点扫描频率点2.3GHz，并计算“Z参数”◇双击，并修改属性，要求扫描变量“Vbias”，选择Simulatuion1“SP1”◇按“F7”进行电路仿真。◇在“DateDisplay”按，并在对话框里编辑公式为：◇按，并单击“advance”选项，把“C_Varactor”输入对话框里面，点击“确定”就可以显示如图16所示的曲线。图16VC曲线◇按，同样单击单击“advance”选项，把“C_Varactor”输入对话框里面，点击“确定”就可以显示如图17所示的表格。图17利用该VC曲线，结合硅双极管的管芯模型和封装模型，按照典型值，利用等效谐振图可以计算出该振荡器的谐振频率在反馈电感为0.2nH级这个数量级的时候，振荡频率为4.0GHz左右，考虑到该模型只有定性参考价值，所以确定该振荡器结构，并可以在仿真过程中，不断的修改和优化电路参数，使得振荡器达到设计要求。5.4振荡器瞬时仿真利用TransientSimulation仿真器可以做振荡器的瞬时仿真，看到实时波形。◇新建一个电路原理图文件◇在这张电路原理图中，按照上面的方法，建立如图18所示的电路图图18振荡器电路原理图注意：记得要添加“Vout”这个节点名称，还有假如器件找不到的，在器件库里面查找，具体情况可以参考查找“晶体管”一节。◇在“Simulation－Transient”类里面找到瞬时仿真器，并双击修改里面的参数，如下图19所示。其中“startime”表示开始仿真的时间；“stoptime”表示结束仿真的时间，“MaxTimeStep”表示最大的抽样时间，这里按照抽样定理对最大的抽样时间是有要求的，具体的算法和介绍可以参考ADS的帮助文档，在文档里面查找“Transient“就可以了。图19瞬时仿真器配置◇按“F7”开始仿真◇在出来的“DataDisplay”窗口里面，按，选择“Vout”按确定，这样就可以看到“Vout”点的瞬时波形，按，并“new”一个新的“Marker”，在“Vout”的瞬时波形图中，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。结果如下图20所示。图20◇按，编辑公式：这表示要对“Vout”在“Marker”m1，m2之间进行一个频率变换，这样出来的“Spectrum”就是m1和m2之间的频谱。◇按，在“advanced”里面加入“Spectrum”点击“OK”就可以看到m1和m2之间的频谱分量，加入“marker”m3就可以知道振荡器大概振荡的频率。如图21所示。图20m1，m2之间的频谱5.5振荡器的谐波平衡仿真◇新建一个电路原理图或者就在“Transient仿真电路图”里面，把电路原理图改为如下图21所示的电路图图21谐波平衡仿真的电路图这和瞬时仿真唯一不同的就是多加入了一个“OscPort”器件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，具体的情况可以参考ADS的帮助文档，查找“OscPort”就可以看到很具体的帮助信息。其中“OscPort”是在类“Simulation-HB”里面。◇在类“Simulation-HB”里面把仿真器拉出来，并双击配置这个谐波平衡仿真器第一步：设置频率和“Order”如下图22所示图22第二步设置参数，主要是把“OverSample”改为4，如下图23所示图23第三步：设置噪音计算，把最后一行的“Nonlinearnoise”和“Oscillator”都选上，然后在“Noisefrequency”里面选择的扫描方式是“log”相位噪音的计算从1Hz到10MHz，并把“FMnoise”调频噪音也计算出来，具体如