压控振荡器设计压控振荡器设计（一）实验目的了解压控振荡器的原理和设计方法学习使用ADS软件进行VCO的设计，优化和仿真。ADS软件的启动启动启动ADSADS进入如下界面进入如下界面创建新的工程文件点击点击File-New ProjectFile-New Project设置工程文件名称（本例设置工程文件名称（本例中为中为OscillatorOscillator）及存储路径）及存储路径创建新的工程文件（续）工程文件创建完毕后主窗口变为下图工程文件创建完毕后主窗口变为下图创建新的工程文件（续）同时原理图设计窗口打开同时原理图设计窗口打开VCO的设计设计振荡器这种有源器件，第一步要做的就是管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子的选取，设计前必须根据自己的指标确定管子的参数的参数 ，选好三极管和变容二极管；第二步是根，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置电阻；第三步是确定变容二极管的VCVC特性，先特性，先由指标（设计的振荡器频率）确定可变电容的值，由指标（设计的振荡器频率）确定可变电容的值，然后根据然后根据VCVC曲线确定二极管两端直流电压；第四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。线，观察设计的振荡器的压控线性度。VCO的设计（续）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设计的振荡器采用HP HP 公司生产的公司生产的AT41411 AT41411 硅双硅双极管极管1212，变容二极管选，变容二极管选MV1404MV1404。AT41411AT41411的主要指标有：的主要指标有：低噪音特性：低噪音特性：1GHz1GHz噪音系数是噪音系数是1.4dB1.4dB，2GHz2GHz噪噪音系数是音系数是1.8dB1.8dB；高增益：高增益：1GHz1GHz时增益为时增益为18dB18dB，2GHz2GHz时增益为时增益为13dB13dB；截止频率：截止频率：7GHz7GHz，有足够宽的频带；，有足够宽的频带；1.8GHz1.8GHz时最佳噪音特性：时最佳噪音特性：VceVce8V8V，IcIc10mA10mA；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管、二极管以及电阻电容等器件在ADSADS的器件库的器件库中均可以找到。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。选择选择probe components probe components 类，然后在这个类里面选类，然后在这个类里面选择择L_ProbeL_Probe并放在适当的位置，同理可以在并放在适当的位置，同理可以在“Sources“SourcesTime Domain”Time Domain”里面选择里面选择V_DCV_DC，在，在lumped componentslumped components里面选择里面选择R R。在在optim/stat/Yield/DOEoptim/stat/Yield/DOE类里面选择类里面选择GOALGOAL，这里，这里需要两个，还有一个需要两个，还有一个OPTIMOPTIM。在在SimulationSimulationDCDC里面选择一个里面选择一个DCDC。上面的器件和仿真器都按照下图放好，并连好线。上面的器件和仿真器都按照下图放好，并连好线。 按按NAMENAME钮出现对话框后，可以输入你需要的名钮出现对话框后，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，如下图中的电路节点定义名字，如下图中的“Vcb”“Vcb”，“Veb”“Veb”节节点。点。 采用双电源供电的方法，采用双电源供电的方法，设置两个设置两个GOAL GOAL 来进行两来进行两个偏置电阻的优化，考虑个偏置电阻的优化，考虑到振荡器中三极管的工作到振荡器中三极管的工作状态最好是远离饱和区，状态最好是远离饱和区，还要满足三极管还要满足三极管1.8GHz1.8GHz时时的最佳噪音特性，所以直的最佳噪音特性，所以直流偏置优化的目标是流偏置优化的目标是Ic=10mAIc=10mA，VcbVcb5.3V5.3V，如右图所示。如右图所示。设置接在设置接在“ “C C极极” ”上的电阻为上的电阻为600600，优化范围为，优化范围为10010010001000，把电源改为，把电源改为“ “12V” 12V” 。同理，设置接在同理，设置接在“ “E E极极” ”上的电阻为上的电阻为400400，优化范围为，优化范围为10010010001000，把电源改为，把电源改为“ “5V” 5V” 。按按“ “F7”F7”快捷键进行仿真。快捷键进行仿真。在在Data DisplayData Display窗口，就是新出来的窗口中，按窗口，就是新出来的窗口中，按LISTLIST键，键，选择选择“ “R1.RR1.R；R2.R”R2.R”这样就会显示出优化的直流电阻的数这样就会显示出优化的直流电阻的数值，如下图所示。值，如下图所示。 可变电容VC特性曲线测试新建一个电路原理图窗口新建一个电路原理图窗口如上面的做法一个，建立如上面的做法一个，建立如右图所示的电路图，其如右图所示的电路图，其中中“ “Term”Term”、“ “S-S-PARAMETE”PARAMETE”、“ “PARAMETER SWEEP”PARAMETER SWEEP”都都可以在可以在“ “SimulationSimulationS_Param”S_Param”里面找到。变容里面找到。变容管的型号是管的型号是“ “MV1404”MV1404”可可以在器件库里面找到，方以在器件库里面找到，方法可以参考上面查找晶体法可以参考上面查找晶体管的方法。管的方法。按按VARVAR键并双击它，修改里面的项目，定义一个键并双击它，修改里面的项目，定义一个名为：名为：“ “Vbias”Vbias”的变量，设置的变量，设置VbiasVbias5V5V作为作为VbiasVbias的初始值。的初始值。修改电源的属性，使修改电源的属性，使VdcVdcVbiasVbias。修改修改S S参数的属性，设置单点扫描频率点参数的属性，设置单点扫描频率点1.8GHz1.8GHz，并计算，并计算“ “Z Z参数参数” ”。修改修改PARAMETER SWEEPPARAMETER SWEEP的属性，要求扫描变的属性，要求扫描变量量“ “Vbias” Vbias” ，选择，选择Simulatuion1“SP1”Simulatuion1“SP1”，扫描，扫描范围为范围为1 11010，间隔为，间隔为0.50.5。 按按“ “F7”F7”进行电路仿进行电路仿真。真。在在“ “Date Display”Date Display”按按EqnEqn，并在对话框里，并在对话框里编辑公式为：编辑公式为： 在在EqnEqn中选择中选择C_Varactor C_Varactor ，得到，得到VCVC曲线和表格如下：曲线和表格如下：VC特性曲线瞬态仿真电路图利用利用Transient Simulation Transient Simulation 仿真器仿真从仿真器仿真从0 0 到到30nsec 30nsec 的瞬时波形，的瞬时波形， 如下图所示：如下图所示：注意：记得一定要添加注意：记得一定要添加“ “Vout”Vout”这个节点名称这个节点名称 按按“ “F7”F7”开始仿真。开始仿真。在出来的在出来的“ “Data Display”Data Display”窗口里面，输出窗口里面，输出“ “Vout”Vout”的瞬时波形，按的瞬时波形，按 ，并，并“ “new”new”一个新的一个新的“ “Marker”Marker”，在，在“ “Vout”Vout”的瞬时波形图中，点的瞬时波形图中，点击一下，然后移动鼠标，把击一下，然后移动鼠标，把“ “marker”marker”移动到移动到需要的地方，就可以看到该点的具体数值。需要的地方，就可以看到该点的具体数值。 结果如下图所示：结果如下图所示：按按EqnEqn编辑公式：编辑公式：这表示要对这表示要对“ “Vout”Vout”在在“ “Marker”m3Marker”m3，m4m4之间之间进行一个频率变换，这样出来的进行一个频率变换，这样出来的“ “Spectrum”Spectrum”就就是是m3m3和和m4m4之间的频谱。之间的频谱。 输出输出SpectrumSpectrum的图形，可以看到的图形，可以看到m3m3和和m4m4之间的之间的频谱分量，加入频谱分量，加入“marker”m5“marker”m5就可以知道振荡器大就可以知道振荡器大概振荡的频率，如下图：概振荡的频率，如下图： 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 由于由于VCOVCO的振荡频率由变容二的振荡频率由变容二极管所在的谐振网络的谐振频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率决定，经计算得到当变容二极管的电容为极管的电容为8.25pF8.25pF时，谐振时，谐振频率为频率为1.8GHz1.8GHz，此时由前面得，此时由前面得到的到的VCVC曲线可以看到对应的二曲线可以看到对应的二极管直流偏置电压为极管直流偏置电压为3.8V3.8V。 设置设置VdcVdc3.8V3.8V后仿真得到的图后仿真得到的图形如右图，从图中可以看到该形如右图，从图中可以看到该振荡器的振荡频率为振荡器的振荡频率为1.799GHz1.799GHz，符合设计要求。，符合设计要求。 设置HB仿真器利用利用ADSADS里面的里面的 HB simulation HB simulation可以仿真振荡器的可以仿真振荡器的相位噪音，如下图设置好相位噪音，如下图设置好HBHB仿真器，选择计算非仿真器，选择计算非线性噪音和调频噪音。线性噪音和调频噪音。 谐波平衡仿真电路图在振荡器里面加入一个在振荡器里面加入一个OscportOscport器件配合使用，接在反馈网器件配合使用，接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。络和谐振网络之间，这是谐波平衡法仿真相位噪音的需要。其中其中“ “OscPort”OscPort”是在类是在类“ “Simulation-HB”Simulation-HB”里面。另外，里面。另外，考虑到该器件的频率隔离度不够高，所以可以在输出端加考虑到该器件的频率隔离度不够高，所以可以在输出端加一个带通滤波器。如下图所示：一个带通滤波器。如下图所示： 谐波频率和幅度 仿真后生成的谐波频率和幅度如下：相位噪音仿真结果其中，anmx是调幅噪音，单位是dBc/Hz；pnfm是附加相位噪音，单位是dBc/Hz ；pnmx是相位噪音，单位是dBc/Hz 。 相位噪音的具体数值 VCO振荡频率线性度分析 把控制变容管电压的电源把控制变容管电压的电源属性修改一下，属性修改一下，“ “Vdc”Vdc”设设置为变量置为变量“ “Vtune”Vtune”，增加，增加一个一个VARVAR变量变量“ “Vtune” Vtune” 修改谐波平衡仿真器，这修改谐波平衡仿真器，这时不计算噪音，只是扫描时不计算噪音，只是扫描变量变量“ “Vtune”Vtune”，所以可以，所以可以把最后一行的把最后一行的“ “Nonlinear Nonlinear noise”noise”不给予选上。新得不给予选上。新得到的到的HBHB仿真器如右图：仿真器如右图： 在在“ “Date Display”Date Display”里点里点Rectangular PlotRectangular Plot，弹，弹出对话框后点出对话框后点AdvancedAdvanced键，输入键，输入sweep1.freq1sweep1.freq1，点击，点击OKOK后生成图形如右图后生成图形如右图所示，从图中可以看所示，从图中可以看到压控的线性度还是到压控的线性度还是可以的，当可以的，当VtuneVtune3.75V3.75V时，振荡器的输时，振荡器的输出频率为出频率为1.796GHz1.796GHz。 功率频率曲线 ADS使用小结以上详细介绍了用以上详细介绍了用ADSADS设计微波振荡器的过程，设计微波振荡器的过程，在设计过程中的一个最大的体会是在设计过程中的一个最大的体会是ADSADS软件本身软件本身功能强大，但是学习入门比较困难，而且用功能强大，但是学习入门比较困难，而且用ADSADS设计振荡器的资料很少，实际设计时会遇到各种设计振荡器的资料很少，实际设计时会遇到各种各样的问题，多看各样的问题，多看HelpHelp是最好的解决方法。帮助是最好的解决方法。帮助里面的查找功能是非常强大的，基本上在里面的查找功能是非常强大的，基本上在ADSADS上上遇到的问题都可以从帮助里面找到答案，另外遇到的问题都可以从帮助里面找到答案，另外ADSADS器件库的搜索速度虽然比较慢，但还是很好器件库的搜索速度虽然比较慢，但还是很好用的，如果有什么器件一时找不到，建议使用器用的，如果有什么器件一时找不到，建议使用器件库来搜索。件库来搜索。 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后来的设计来看，管子选得不好是很难达到预定目标的。目标的。 设计振荡器最重要的是使振荡频率满足预定的指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，由变容二极管的置电压，由变容二极管的VCVC曲线决定；另一个是曲线决定；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这两个参数才能使振荡频率达到1.8GHz1.8GHz。 噪声分析也是振荡器设计的一个重要的方面。设噪声分析也是振荡器设计的一个重要的方面。设计过程中必须明确要计算哪些噪声，并合理设置计过程中必须明确要计算哪些噪声，并合理设置好噪声频率间隔。好噪声频率间隔。在电路中加入滤波器是为了增加频率的隔离度，在电路中加入滤波器是为了增加频率的隔离度，但是此滤波器对于后来生成的压控曲线影响很大。但是此滤波器对于后来生成的压控曲线影响很大。不去掉滤波器而直接仿真得到的曲线并不是线性不去掉滤波器而直接仿真得到的曲线并不是线性的，原因是滤波器的通带比压控的频率范围小，的，原因是滤波器的通带比压控的频率范围小，而去掉滤波器后生成的压控曲线的线性度很好，而去掉滤波器后生成的压控曲线的线性度很好，符合符合VCOVCO的设计要求。的设计要求。 思考题改变振荡器直流偏置的条件，分析不同的直流偏置电阻对振荡器工作的影响。VCO的频率稳定度和频谱纯度由哪几个因素决定？如何在ADS中进行测量？