ADS设计压控振荡器VCOdocx.docx
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ADS设计压控振荡器VCOdocx
应用ADS设计VCO
1•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:
曲十f加
其中/一实际工作频率;
人一标称频率。
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:
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咅、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fo,在f。
附近还包含有许多旁频,连续分布在f°两边。
如下图所示,纵坐标是功率,f。
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。
4
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)。
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。
擁荡器物理模型
图3
本节论述的振荡器釆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。
共基极反馈振荡器
图4
(a)肴毕兹型^(b)哈特莱型;(c)克拉泼型
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;采用币巾化镣场效应管时VI大概为3.5V,Ids大概为8-10mA,一般选择相当低的漏源电压和电源
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
本节的振荡器釆用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:
ST0143
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來做仿真,只能利用这些小信号模型來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。
Rs
图6
BF
LI
«_mrrL_
L2
nnno
B
/r
c
管芯
E
ci-
C2〒
uE
L5C
C3_
z*-
C5
L3L4c>
C—
E'
包含封装的等效电路
符号
元件名
典型值
Re2
发射极扩展电阻
8.6ohm
Rel
发射极空间电荷电阻
0.7ohm
Rs
集电极扩展电阻
7.0ohm
Ce
发射极一基极结电容
1.0pF
Cc
集电极一发射极电容
0.005pF
Cce
集电极一发射极电容
0.05pF
Rb
基极扩展电阻
14.7ohm
ao
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
Cl、C2
各封装点之间的电容
Cl:
0.06-0.1pF
C2:
0.01-0.012pF
C3:
0.001-0.003pF
C4:
0.01-0.013pF
C3、C4
C5
输出、输入端之间的电容
0.005pF
LI、L4
参考面与封装边缘之间的引线电感
Ll:
0.2-0.3nH;
L4:
0.4-0.6nH
L2、L3
封装边缘与金属丝接点之间的引线电感
0.2-0.5nH
L5
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是本节振荡器釆用的具体电路,其电路结构如图9所示
az
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。
5具体设计过程
5.1创建一个新项目
◊启动ADS
◊选择Mainwindows
O菜单一File-NewProject,然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名O点击"ok"这样就创建了一个新项目。
5.2偏置电路设计
在电路原理图窗口中点击.
按“ctrl+Fl”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。
画[BestOsc__prj]untitled?
*(5chematic):
2
FileEditSelectViewInsertQptionsTools
口QI剧嘗I吋阀神憧
中选择probecomponents类,然后在这个类
©I
◊在Simulation—DC里面选择一个
里面选择竺空1并安放在适当的位置,同理可以在“Sources—TimeDomain”里面选择
Enl»K«ielabdarddckIbeK«ieoipn
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
••GOAL••
OPT1M
Optim
Optiml
OptimType=GradientErrofFoitrFL2-••Maxlters=25...P=2
besiredError=b.OSiatuGLGv'GM+*SetBestValue^/es*Seed=
SavBSolns=no..SavieGoal9=/e$SaveOptimV3f$=rioUp(fatBData$Gt=yG$*SaveAlllteration$=naU5eAII0plVar$=yes-UseAIIGoals=yes
3
•-l_ProbeR・・iCc・R1
I0IdM
*DC1*
R=03Oopt{100to1003)
..匕DC・•丄SRC1
-=•Vdc=l2V
Veb
a?
ft
IF
Probe
pbJip3T4UI1jggj/rior
Q1
GqqI
OptimGoaH..EKpr=,,lCCr
SimInslancehlame=*DMfr>=9.9mA••M8X=*10.0rrA-•WeigM二•・・RgngeYar(IJ=..RangeMin(1}=
RangeMaKp^
R
R2
R=400opt{100to1003.)
C1,1
DC••%
OptimGoal2
E^pr=,Vcb,1
Simlristanc9Name="D
Min=5.2V
Max=5.3V
・・•Weigh!
=・・••
丄RangeVar|1]=
=RangeMi叩卜
RangeMaxlf^'
*V
SRC2—Vdc=^5V
Ct'1
图11直流偏置计算
5
•l_Probeo双极・lcc・
把该I.Probe的名称改为ICC
O同样,另外一个接晶体管S极的I.Probe改为“IEE”
「••GOAL
O双击其中一个并修改里面的内容,如图12所示
;Goalsfor'nominal'typeoptimization^
InstanceName(name[ stop>])|0plimGo-al1 SelectParameter EgWICCf SimlnstanceName^PCI11 Min=9.9 Max=10.0mA Weight RangeV8([1]= RangeMin[1]= RangeMa«[1]= ICC.i pDisplayparameteronschematic |Expr: Goalexpression 图12 O双击另外一个 图13 OPTIM. 双击Optim 并把里面的OptimizationType 修改为“Gradient"类型 OptimizationType |Gradienl ・「尸・・IIX・・・・IR1 SR=600opt{100to1000} 把接在“c极”上的电阻改为 把电源改为“12V” TkRangeMax[1]= 1・R2* >.R=400叩t{100to1000} 把电源改为“一5V” 把接在“S极”上的电阻改为 按W快捷键进行仿真 在DataDisplay窗II,就是新出来的窗II中,按键,会选择^R.Rl;R.R2"这样就会显示出优化的直流电阻的数值,如图14所示。 R1.R R2.R 673.316 420.611 图14 5.3变容管测量 o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“Temi”、“S-PARAMETE”、“PARAMETERSWEEP”都可以在“Simulation—S_Paiam”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。 IS-PARAMETERS| •S二FaFarn .SP1 CalcZ=yes... Freq=2.3GHz .PARAMETERSWEEPI PafamS\>veep Sweepf SweepVar-Vbias"* SimlnstanceName[1]="SP111-•• SimlnstanceName(2]= SimlnstanceMame[3]= SimlnstanceMame[4]= SiminstanceName[5]= SimlnstenceName[g- St3rt=1- .Stop=1D Step=0.5 图15可变电容VC曲线测量 按|黒|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" "Vbias",选择Simulatuionl^SPl^ O按“F7”进行电路仿真。 O在“DateDisplay”按-^1,并在对话框里编辑公式为: Eqn 按圏 (3_也田门0尸・1/(2中怖呵0卩门丽9(2? 11[0]))| 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。 |12341 同样单击单击"advance"选项,把"C_Varactor”输入对话框里 ,点击“确定”就可以显示如图17所示的表格。 Vbias CVaractor 1.000 9.6236-12 1.500 9.427E-12 2.000 9.202E-12 2.500 8.956E-12 3.000 8.694E-12 3.500 8.420E-12 4.000 8.138E-12 4.500 7.853E-12 5.000 7.567E-12 5.500 7.282E-12 6.000 7.002E-12 6.500 6.727E-12 7.000 6.459E-12 7.500 6.199E-12 8.000 5.948E-12 8.500 5.706E-12 9.000 S.474E-12 9.500 5.251E-12 10.000 5.038E-12 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。 O新建一个电路原理图文件 O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。 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”表示最人的抽样时间,这里按照抽样定理对最人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 MarkerPageOption 4I New... DeltaModeOn “Vout”点的瞬时波形,按: "IlaModeOff,并“皿才,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 ◊按回,编辑公式: Eqn Spectrum=fs(Vout),„Mjndep(m1)Jndep(m2)) 这表示要对“Vbut”在“Marker”ml,m2之间进行一个频率变换,这样出来的“SpectnunM就是ml和m2之间的频谱。 在"advane亡d”里面加入“Spectmm”点击“OK”就可以看到ml和m2之 间的频谱分量,加入“marker"m3就可以知道振荡器人概振荡的频率。 如图21所示。 Eqn Spectrum=fs(Vout,H,,Hindep(m1)? indep(m2)) m3 freq=2.491GHz Spect「um=0・644/40.694V 图20mbm2之间的频谱 5-5振荡器的谐波平衡仿真 O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 -JL 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“SmiulahomHE"里面。 O在类"Smiulation-HB"里面把仿真器』」拉出来,并双击配置这个谐波平衡仿真器 HarmonicBalanced 2d HarmonicBalanceInstanceName [HB1 j|Sweep|Params]Small-Sig]ffoise (1)]«I> 厂Small-signal17Nonlinearnoise17Oscillator OKApply|Cancel|Help 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“Noiilmearnoise”和“Oscillator”都选上,然后在“Noisefiequency"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,具体如卞图24所示。 图24 第四步: “no】se2设置”主要就是把"Vbut"加进去,并选择"sortbyvalue"具体见下图 图25 第四步: 在“Osc”选项里面把Oscl加进去,这就是我们加入的那个OscPort类器件。 Small-signal“Nonlinearnoise[✓Oscillator HarmonicBalance HB1 Freq[1]=2.4GHzOrder[1]=12 FundOversample=4NLNoiseMode=yesNLNoiseStart=1HzNLNoiseStop=10MHzFM_Noise=yesNoiseNode[1]=,,VoutHSortNoise二Sortbyvalue 图27谐波平衡仿真器 O按“F7”进行仿真。 ◊在“DataDisplay"窗口里面按照上面的方法,把需要的数据都显示出來见下图 图28时域波形 图28是时域波形,注意是要加入"Eqn"的 图29谐波频率和幅度 图30相位噪音仿真结果 这里的pnmx是相位噪音,单位为dBc/Hz;anmx是调幅噪音,单位为dBc/Hz;pnfm是附加相位噪音,单位为dBc/Hzo其中pnfm和anmx都是通过频率灵敏度分析來获得的,pnmx是通过混频分析获得的。 具体分析,可以参考ADS帮助文档,查找“pnmx”就可以。 noisefreq pnfm pnmx anmx 1.000Hz -3.829dBc -33.46dBc -171.0dBc 204.1kHz ・110.0dBc -110.0dBc -173.5dBc 408.2kHz -116.0dBc -116.0dBc -173.5dBc 612.2kHz -119.6dBc -119.6dBc -173.5dBc 816.3kHz -122.1犯c -122.1dBc -173.5dBc 1.020MHz -124.0dBc -124.0dBc -173.5dBc 1.224MHz -125.6dBc -125.6dBc -173.5dBc 1.429MHz -126.9dBc -126.9dBc -173.5dBc 1.633MHz -128.1dBc -128.1dBc -173.5dBc 1.837MHz -129.1犯c -129.1dBc -173.5dBc 2.041MHz -130.0dBc -130.0dBc -173.5dBc 2.245MHz -130.9dBc -130.8dBc -173.5dBc 2.449MHz -131.6dBc -131.6dBc -173.5dBc 2.653MHz -132.3dBc -132.3dBc -173.5dBc 2.857MHz -132.9dBc -132.9dBc -173.5dBc 3.061MHz -133.5dBc -133.5dBc -173.5dBc 3.265MHz -134.1dBc -134.1dBc -173.5dBc 3.469MHz -134.6dBc -134.6dBc -173.5dBc 3.673MHz -135.1dBc -135.1dBc -173.5dBc 3.878MHz -135.6dBc -135.6dBc -173.5dBc 4.082MHz -136.0dBc -136.0dBc -173.5dBc 4.286MHz -136.5dBc -136.5dBc -173.5dBc 4.490MHz -136.9dBc -136.9dBc -173.5dBc 4.694MHz -137.3dBc -137.3dBc -173.5dBc 4.898MHz -137.6dBc -137.6dBc -173.5dBc 5.102MHz -138.0dBc -138.0dBc -173.5dBc 5.306MHz -138.3dBc -138.3dBc -173.5dBc 5.510MHz -138.7dBc -138.6dBc -173.5dBc 5.714MHz -139.0dBc -139.0dBc -173.5dBc 5.918MHz -139.3dBc -139.3dBc -173.5dBc 6.122MHz -139.6dBc -139.6dBc -173.5dBc 图
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