壓控振蕩器設(shè)計

壓控振蕩器設(shè)計第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）實驗?zāi)康牧私鈮嚎卣袷幤鞯脑砗驮O(shè)計方法學(xué)習(xí)使用ADS軟件進行VCO的設(shè)計，優(yōu)化和仿真。第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）實驗內(nèi)容了解振蕩器的主要技術(shù)指標使用ADS軟件設(shè)計一個VCO，并對其參數(shù)進行優(yōu)化、仿真。觀察不同的參數(shù)對VCO工作的影響第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月振蕩器三個基本模塊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的相互作用。3. 能量反饋模塊（從放大器角度看）第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月振蕩器的物理模型振蕩器的物理模型，主要由諧振網(wǎng)絡(luò)、晶體管和輸入網(wǎng)絡(luò)這三部分組成。如下圖所示：第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）振蕩器的技術(shù)指標輸出功率與效率輸出譜線純，純到只有一根譜線實際輸出譜：描述這個譜的參數(shù)有：頻率穩(wěn)定度調(diào)頻噪聲和相位噪聲pff0振蕩器輸出的頻譜第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）振蕩器的技術(shù)指標（續(xù)）頻率穩(wěn)定度是在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，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(wěn)定度和相對頻率穩(wěn)定度，通常用相對頻率穩(wěn)定度來表示。振蕩頻率的隨機起伏稱為瞬時頻率穩(wěn)定度，頻率的瞬變將產(chǎn)生調(diào)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(diào)幅噪聲。第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）ADS軟件的使用本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計VCO的方法：包括原理圖繪制，電路參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化、仿真等。下面開始按順序詳細介紹ADS軟件的使用方法。第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月ADS軟件的啟動啟動ADS進入如下界面第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月創(chuàng)建新的工程文件點擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱（本例中為Oscillator）及存儲路徑第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）同時原理圖設(shè)計窗口打開第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月VCO的設(shè)計設(shè)計振蕩器這種有源器件，第一步要做的就是管子的選取，設(shè)計前必須根據(jù)自己的指標確定管子的參數(shù)，選好三極管和變?nèi)荻O管；第二步是根據(jù)三極管的最佳噪音特性確定直流偏置電路的偏置電阻；第三步是確定變?nèi)荻O管的VC特性，先由指標（設(shè)計的振蕩器頻率）確定可變電容的值，然后根據(jù)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(shè)計的振蕩器的壓控線性度。第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月VCO的設(shè)計（續(xù)）設(shè)計指標：設(shè)計一個壓控振蕩器，振蕩頻率在1.8GHz左右。第一步根據(jù)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?nèi)荻O管；第二步需要用到ADS的直流仿真；第三步通過S參數(shù)仿真確定變?nèi)荻O管的VC曲線；第四步用HB模塊來進行諧波仿真，計算相位噪音。第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月管子的選取設(shè)計的振蕩器采用HP公司生產(chǎn)的AT41411硅雙極管[12]，變?nèi)荻O管選MV1404。AT41411的主要指標有：低噪音特性：1GHz噪音系數(shù)是1.4dB，2GHz噪音系數(shù)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?qū)挼念l帶；1.8GHz時最佳噪音特性：Vce＝8V，Ic＝10mA；第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月振蕩器采用的初始電路振蕩器采用的初始電路如下圖所示，圖中的三極管、二極管以及電阻電容等器件在ADS的器件庫中均可以找到。第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月偏置電路的設(shè)計在電路原理圖窗口中點擊，打開Componentlibrary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(zhuǎn)晶體管，把晶體管安放到一個合適的位置。第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇probecomponents類，然后在這個類里面選擇L_Probe并放在適當?shù)奈恢?，同理可以在“Sources－TimeDomain”里面選擇V_DC，在lumpedcomponents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Simulation－DC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。第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月按NAME鈕出現(xiàn)對話框后，可以輸入你需要的名字并在你需要的電路圖上面點一下，就會自動給電路節(jié)點定義名字，如下圖中的“Vcb”，“Veb”節(jié)點。

第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月采用雙電源供電的方法，設(shè)置兩個GOAL來進行兩個偏置電阻的優(yōu)化，考慮到振蕩器中三極管的工作狀態(tài)最好是遠離飽和區(qū)，還要滿足三極管1.8GHz時的最佳噪音特性，所以直流偏置優(yōu)化的目標是Ic=10mA，Vcb＝5.3V，如右圖所示。第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)置接在“C極”上的電阻為600，優(yōu)化范圍為100－1000，把電源改為“12V”。同理，設(shè)置接在“E極”上的電阻為400，優(yōu)化范圍為100－1000，把電源改為“－5V”。按“F7”快捷鍵進行仿真。在DataDisplay窗口，就是新出來的窗口中，按LIST鍵，選擇“R1.R；R2.R”這樣就會顯示出優(yōu)化的直流電阻的數(shù)值，如下圖所示。第21頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月可變電容VC特性曲線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-PARAMETE”、“PARAMETERSWEEP”都可以在“Simulation－S_Param”里面找到。變?nèi)莨艿男吞柺恰癕V1404”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。第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月按VAR鍵并雙擊它，修改里面的項目，定義一個名為：“Vbias”的變量，設(shè)置Vbias＝5V作為Vbias的初始值。修改電源的屬性，使Vdc＝Vbias。修改S參數(shù)的屬性，設(shè)置單點掃描頻率點1.8GHz，并計算“Z參數(shù)”。修改PARAMETERSWEEP的屬性，要求掃描變量“Vbias”，選擇Simulatuion1“SP1”，掃描范圍為1－10，間隔為0.5。第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月按“F7”進行電路仿真。在“DateDisplay”按Eqn，并在對話框里編輯公式為：在Eqn中選擇C_Varactor，得到VC曲線和表格如下：第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月VC特性曲線第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月瞬態(tài)仿真電路圖利用TransientSimulation仿真器仿真從0到30nsec的瞬時波形，如下圖所示：第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：記得一定要添加“Vout”這個節(jié)點名稱按“F7”開始仿真。在出來的“DataDisplay”窗口里面，輸出“Vout”的瞬時波形，按，并“new”一個新的“Marker”，在“Vout”的瞬時波形圖中，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(shù)值。結(jié)果如下圖所示：第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月按Eqn編輯公式：這表示要對“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。第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出Spectrum的圖形，可以看到m3和m4之間的頻譜分量，加入“marker”m5就可以知道振蕩器大概振蕩的頻率，如下圖：

第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)果分析從波形可以看到，振蕩器已經(jīng)很穩(wěn)定地振蕩起來了，并且有一定的振蕩時間，從抽出兩點m3，m4的數(shù)據(jù)可以看出，該振蕩波形是相當穩(wěn)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(shù)值可以看出，該振蕩器的振蕩頻率為1.850GHz，與設(shè)計的指標1.8GHz有差距，需要進行調(diào)整。第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)整優(yōu)化的結(jié)果由于VCO的振蕩頻率由變?nèi)荻O管所在的諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率決定，經(jīng)計算得到當變?nèi)荻O管的電容為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(yīng)的二極管直流偏置電壓為3.8V。設(shè)置Vdc＝3.8V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(shè)計要求。

第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)置HB仿真器利用ADS里面的HBsimulation可以仿真振蕩器的相位噪音，如下圖設(shè)置好HB仿真器，選擇計算非線性噪音和調(diào)頻噪音。

第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月諧波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(wǎng)絡(luò)和諧振網(wǎng)絡(luò)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：

第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月諧波頻率和幅度仿真后生成的諧波頻率和幅度如下：第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月相位噪音仿真結(jié)果其中，anmx是調(diào)幅噪音，單位是dBc/Hz；pnfm是附加相位噪音，單位是dBc/Hz；pnmx是相位噪音，單位是dBc/Hz。第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月相位噪音的具體數(shù)值第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月VCO振蕩頻率線性度分析把控制變?nèi)莨茈妷旱碾娫磳傩孕薷囊幌?，“Vdc”設(shè)置為變量“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“Nonlinearnoise”不給予選上。新得到的HB仿真器如右圖：

第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月在“DateDisplay”里點RectangularPlot，彈出對話框后點Advanced鍵，輸入sweep1..freq[1]，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Vtune＝3.75V時，振蕩器的輸出頻率為1.796GHz。第38頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月功率－頻率曲線第39頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月ADS使用小結(jié)以上詳細介紹了用ADS設(shè)計微波振蕩器的過程，在設(shè)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(xué)習(xí)入門比較困難，而且用ADS設(shè)計振蕩器的資料很少，實際設(shè)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找不到，建議使用器件庫來搜索。第40頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月VCO設(shè)計小結(jié)設(shè)計過程中要考慮的首要問題就是管子的選取，設(shè)計前必須根據(jù)自己的指標確定管子的參數(shù)，從后來的設(shè)計來看，管子選得不好是很難達到預(yù)定目標的。設(shè)計振蕩器最重要的是使振蕩頻率滿足預(yù)定的指標，而在這次的壓控振蕩器設(shè)計中與振蕩器頻率直接相關(guān)的有兩個參數(shù)，一個是變?nèi)荻O管的偏置電壓，由變?nèi)荻O管的VC曲線決定；另一個是振蕩器的反饋電感。在設(shè)計過程中經(jīng)過多次調(diào)整這兩個參數(shù)才能使振蕩頻率達到1.8GHz。第41頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月噪聲分