1、VCO的設計(shj)共四十四頁（一）實驗(shyn)目的了解壓控振蕩器的原理和設計方法(fngf)學習使用ADS軟件進行VCO的設計，優化和仿真。共四十四頁（二）實驗(shyn)內容了解振蕩器的主要技術指標使用ADS軟件設計一個VCO，并對其參數進行優化、仿真。觀察不同的參數對VCO工作(gngzu)的影響共四十四頁振蕩器三個基本(jbn)模塊1.晶體管或電真空器件（主要用于高頻大功率）（負阻部件）2.諧振回路：決定振蕩器的工作頻率因為只有與回路諧振頻率一致的交變電磁場才能與電子進行有效(yuxio)的相互作用。3.能量反饋模塊（從放大器角度看）共四十四頁振蕩器的物理(wl)模型振蕩器的物理

2、模型，主要(zhyo)由諧振網絡、晶體管和輸入網絡這三部分組成。如下圖所示：共四十四頁（三）振蕩器的技術指標輸出功率與效率輸出譜線純，純到只有(zhyu)一根譜線實際輸出譜：描述這個譜的參數有：頻率穩定度調頻噪聲和相位噪聲pff0 振蕩器輸出的頻譜共四十四頁（三）振蕩器的技術指標（續）頻率穩定度是在規定的時間(shjin)間隔內，頻率準確度變化的最大值。它有兩種表示方法，即絕對頻率穩定度和相對頻率穩定度，通常用相對頻率穩定度來表示。振蕩頻率的隨機起伏稱為瞬時頻率穩定度，頻率的瞬變將產生調頻噪聲、相位噪聲和相位抖動。振蕩幅度的隨機起伏將引起調幅噪聲。共四十四頁（四）ADS軟件(run jin)的

3、使用本節內容是介紹使用ADS軟件設計VCO的方法：包括原理圖繪制，電路參數的調整(tiozhng)優化、仿真等。下面開始按順序詳細介紹ADS軟件的使用方法。共四十四頁ADS軟件(run jin)的啟動啟動ADS進入(jnr)如下界面共四十四頁創建(chungjin)新的工程文件點擊File-New Project設置(shzh)工程文件名稱（本例中為Oscillator）及存儲路徑共四十四頁創建(chungjin)新的工程文件（續）工程文件創建完畢后主(hu zh)窗口變為下圖共四十四頁創建新的工程(gngchng)文件（續）同時原理圖設計(shj)窗口打開共四十四頁VCO的設計(shj)設計

4、振蕩器這種有源器件，第一步要做的就是管子的選取，設計前必須根據自己的指標確定(qudng)管子的參數 ，選好三極管和變容二極管；第二步是根據三極管的最佳噪音特性確定(qudng)直流偏置電路的偏置電阻；第三步是確定(qudng)變容二極管的VC特性，先由指標（設計的振蕩器頻率）確定可變電容的值，然后根據VC曲線確定二極管兩端直流電壓；第四步是進行諧波仿真，分析相位噪音，生成壓控曲線，觀察設計的振蕩器的壓控線性度。共四十四頁VCO的設計(shj)（續）設計指標：設計一個壓控振蕩器，振蕩頻率在1.8GHz左右。第一步根據振蕩頻率確定選用的三極管，因為是壓控振蕩器，所以還需要一個變容二極管；第二步需

5、要用到ADS的直流仿真；第三步通過S參數仿真確定變容二極管的VC曲線；第四步用HB模塊(m kui)來進行諧波仿真，計算相位噪音。共四十四頁管子(gun zi)的選取設計的振蕩器采用HP 公司生產的AT41411 硅雙極管12，變容二極管選MV1404。AT41411的主要指標有：低噪音特性：1GHz噪音系數是1.4dB，2GHz噪音系數是1.8dB；高增益：1GHz時增益為18dB，2GHz時增益為13dB；截止頻率：7GHz，有足夠(zgu)寬的頻帶；1.8GHz時最佳噪音特性：Vce8V，Ic10mA；共四十四頁振蕩器采用(ciyng)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

6、管、二極管以及電阻電容(dinrng)等器件在ADS的器件庫中均可以找到。共四十四頁偏置(pin zh)電路的設計在電路原理圖窗口中點擊，打開Component library按“ctrl+F1”打開搜索對話窗口搜索器件“ph_hp_AT41411”這就是我們在該項目中用到的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”鍵可以取消當前的動作。選中晶體管，按可以旋轉(xunzhun)晶體管，把晶體管安放到一個合適的位置。共四十四頁選擇probe components 類，然后在這個(zh ge)類里面選擇L_Probe并放在適當的位置，同理可以在“SourcesTime

7、 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，還有一個OPTIM。在SimulationDC里面選擇一個DC。上面的器件和仿真器都按照下圖放好，并連好線。 共四十四頁按NAME鈕出現對話框后，可以輸入你需要的名字并在你需要的電路(dinl)圖上面點一下，就會自動給電路(dinl)節點定義名字，如下圖中的“Vcb”，“Veb”節點。 共四十四頁采用雙電源供電的方法，設置(shzh)兩個GOAL 來進行兩個偏置電阻的優化，考慮到振蕩器中三極管的工作狀態最好是遠離飽和區，還要滿足三極管1.

8、8GHz時的最佳噪音特性，所以直流偏置優化的目標是Ic=10mA，Vcb5.3V，如右圖所示。共四十四頁設置接在“C極”上的電阻為600，優化范圍為1001000，把電源改為“12V” 。同理，設置接在“E極”上的電阻為400，優化范圍為1001000，把電源改為“5V” 。按“F7”快捷鍵進行仿真。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(zhyng)就會顯示出優化的直流電阻的數值，如下圖所示。 共四十四頁可變電容VC特性曲線(qxin)測試新建一個電路原理圖窗口如上面的做法一個，建立如右圖所示的電路圖，其中“Term”、“S-PARA

9、METE”、“PARAMETER SWEEP”都可以在“SimulationS_Param”里面找到。變容管的型號(xngho)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。共四十四頁按VAR鍵并雙擊它，修改里面的項目，定義一個名為：“Vbias”的變量，設置Vbias5V作為Vbias的初始值。修改電源的屬性，使VdcVbias。修改S參數的屬性，設置單點掃描頻率點1.8GHz，并計算“Z參數”。修改PARAMETER SWEEP的屬性，要求掃描變量“Vbias” ，選擇Simulatuion1“SP1”，掃描范圍(fnwi)為110，間隔為0.5。 共四十四頁按

10、“F7”進行電路仿真。在“Date Display”按Eqn，并在對話框里編輯公式為： 在Eqn中選擇C_Varactor ，得到(d do)VC曲線和表格如下：共四十四頁VC特性(txng)曲線共四十四頁瞬態仿真(fn zhn)電路圖利用Transient Simulation 仿真(fn zhn)器仿真(fn zhn)從0 到30nsec 的瞬時波形， 如下圖所示：共四十四頁注意：記得一定要添加“Vout”這個節點名稱 按“F7”開始仿真。在出來的“Data Display”窗口里面，輸出“Vout”的瞬時波形，按 ，并“new”一個(y )新的“Marker”，在“Vout”的瞬時波形圖

11、中，點擊一下，然后移動鼠標，把“marker”移動到需要的地方，就可以看到該點的具體數值。 結果如下圖所示：共四十四頁按Eqn編輯公式：這表示(biosh)要對“Vout”在“Marker”m3，m4之間進行一個頻率變換，這樣出來的“Spectrum”就是m3和m4之間的頻譜。 共四十四頁輸出Spectrum的圖形，可以看到m3和m4之間的頻譜分量(fn ling)，加入“marker”m5就可以知道振蕩器大概振蕩的頻率，如下圖： 共四十四頁結果(ji gu)分析從波形可以看到，振蕩器已經很穩定地振蕩起來(q li)了，并且有一定的振蕩時間，從抽出兩點m3，m4的數據可以看出，該振蕩波形是相當

12、穩定的，幅度差可以不必考慮，頻譜純度也較高，對m3和m4這段時域進行fs變換，可以看到振蕩器振蕩頻率的頻譜，從m5標記的數值可以看出，該振蕩器的振蕩頻率為1.850GHz，與設計的指標1.8GHz有差距，需要進行調整。 共四十四頁調整(tiozhng)優化的結果由于VCO的振蕩頻率由變容二極管所在的諧振網絡的諧振頻率決定，經計算得到當變容二極管的電容(dinrng)為8.25pF時，諧振頻率為1.8GHz，此時由前面得到的VC曲線可以看到對應的二極管直流偏置電壓為3.8V。設置Vdc3.8V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，符合設計要求。 共四十四頁設

13、置(shzh)HB仿真器利用ADS里面的 HB simulation可以(ky)仿真振蕩器的相位噪音，如下圖設置好HB仿真器，選擇計算非線性噪音和調頻噪音。 共四十四頁諧波(xi b)平衡仿真電路圖在振蕩器里面加入一個Oscport器件配合使用，接在反饋網絡(wnglu)和諧振網絡(wnglu)之間，這是諧波平衡法仿真相位噪音的需要。其中“OscPort”是在類“Simulation-HB”里面。另外，考慮到該器件的頻率隔離度不夠高，所以可以在輸出端加一個帶通濾波器。如下圖所示： 共四十四頁諧波(xi b)頻率和幅度 仿真后生成的諧波(xi b)頻率和幅度如下：共四十四頁相位(xingwi)噪

14、音仿真結果其中，anmx是調幅噪音，單位是dBc/Hz；pnfm是附加(fji)相位噪音，單位是dBc/Hz ；pnmx是相位噪音，單位是dBc/Hz 。 共四十四頁相位噪音的具體(jt)數值 共四十四頁VCO振蕩(zhndng)頻率線性度分析 把控制變容管電壓的電源屬性修改一下，“Vdc”設置為變量(binling)“Vtune”，增加一個VAR變量“Vtune” 修改諧波平衡仿真器，這時不計算噪音，只是掃描變量“Vtune”，所以可以把最后一行的“Nonlinear noise”不給予選上。新得到的HB仿真器如右圖： 共四十四頁在“Date Display”里點Rectangular Pl

15、ot，彈出對話框后點Advanced鍵，輸入(shr)sweep1.freq1，點擊OK后生成圖形如右圖所示，從圖中可以看到壓控的線性度還是可以的，當Vtune3.75V時，振蕩器的輸出頻率為1.796GHz。 共四十四頁功率頻率(pnl)曲線 共四十四頁ADS使用(shyng)小結以上詳細介紹了用ADS設計微波振蕩器的過程，在設計過程中的一個最大的體會是ADS軟件本身功能強大，但是學習入門比較困難，而且用ADS設計振蕩器的資料很少，實際設計時會遇到各種各樣的問題，多看Help是最好的解決方法。幫助里面的查找功能是非常強大的，基本上在ADS上遇到的問題都可以從幫助里面找到答案，另外ADS器件庫

16、的搜索速度雖然比較慢，但還是很好用的，如果有什么器件一時(ysh)找不到，建議使用器件庫來搜索。 共四十四頁VCO設計(shj)小結設計過程中要考慮的首要問題就是管子的選取，設計前必須根據自己的指標確定管子的參數，從后來的設計來看，管子選得不好是很難達到預定目標的。 設計振蕩器最重要的是使振蕩頻率滿足預定的指標，而在這次的壓控振蕩器設計中與振蕩器頻率直接相關的有兩個參數，一個是變容二極管的偏置電壓，由變容二極管的VC曲線決定(judng)；另一個是振蕩器的反饋電感。在設計過程中經過多次調整這兩個參數才能使振蕩頻率達到1.8GHz。 共四十四頁噪聲分析也是振蕩器設計的一個重要的方面。設計過程中必須明確要計算哪些噪聲，并合理設置好噪聲頻率間隔。在電路中加入濾波器是為了增加頻率的隔離度，但是(dnsh)此濾波器對于后來生成的壓控曲線影響很大。不去掉濾波器而直接仿真得到的曲線并不是線性的，原因是濾波器的通帶比壓控的頻率范圍小，而去掉濾波器后生成的壓控曲線的線性度很好，符合VCO的設計要求。 共四十四頁思考題改變振蕩器直流偏置的條件，分析不同的直流偏置電阻(dinz)對振蕩器工作的影響。VCO的頻率穩定度和頻譜純度由哪幾個因素決定？如何在ADS中進行測量？共四十四頁內容摘要VCO的設計。設置接在“