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1、VCO的设计（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，优化和仿真一一:（二）实验内容使用ADS软件设计一个VCO,并对其参数 进行优化、仿真。、观察不同的参数对VCO工作的影响振荡器三个基本模块1. 晶体管或电真空器件（主要用于高频大功率）（负阻部件）2. 谐振回路：决定振荡葩H茴辜二二二52因为只有与回路谐振频率一致的交变电磁场才能与电子进 7行有效的相互作用。：3. 能量反馈模块（从放大器角度看）振荡器的物理模型振荡器的物理模型，主要由谐振网络、晶体管和n俞入网络这三部分组成7二如下图所示二=振荡器物理模型实际输出谱:（二）振汤甜的技术指标=.=.=
2、1 输出SW效率二二二二二二 二二车勰厳=二=7 f0描述这个谱的参数有: 频率稳定度振荡器输出的频谱调频噪声和相位噪声（三）振荡器的技术指标（续）频率稳定度是在规定的时间间隔内，频率 准确度变化的最大值。它有两种表示方法, 即绝对频率稳定度和相对频率稳定度，通 常用相对频率稳定度来表示。振荡频率的随机起伏称为瞬时频率稳定度, 频率的瞬变将产生调频噪声、相位噪声和 相位抖动。振荡幅度的随机起伏将引起调 幅噪声。（四）A0S软件的使用本丢愛是充绍囲 Ads软件设谢Co的 方法：包括原理图绘制，电路参数的调整 优化、仿真等匚二二二二二二二下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使用 方法。ADS软件的启
3、动启动ADS进入如下界面Help田 Advanced Design System (Main)File View Optio rs 鏗in down劉电陌SBIBIHIHFile Browser曰0 default-七“.由 hpeesofI由U1 substrates由亡I testI由亡3 untitled_pr|I Double click to openJse the File mEnu or the File Browser to open a projectN创建新的工程文件点击File-New Project设置工程文件名称（本例 中为Oscillator）及希储路径创建新的工程
4、文件（续）1工程文件创建完毕后主窗口变为下图岀 Advanced Design System (Main)J 口1File View Options WindowDesignGuide Help（3|圜生|龟0 圖列甩剛File BrowserProject Hierarchye:usersyefaulHoscillatorjDrj创建新的工程文件（续）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子的选取，设计前必须根据自己的指标确定管子的参数，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置电阻；第三步是确定变容二极管的vc特性，
5、先由指标（设计的振荡器频率）确定可变电容的值, 然后根据vc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 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T.8GHZ左右。第一步根据振荡频率确定选用的三极管，- 二因为是压控振荡器，所以还需要一个变容二 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HP公司生产的AT41411硅双 极管12,变容二极管选MV1404o AT414d的主要指标有4B8M
6、IWHHMHHHMHHMHMMBk低噪音特性：1GHz噪音系数是1.4dB, 2GHz噪 首紊数是1.8dB；高增益：1GHz时增益为18dB, 2GHz时增益为 13dB；截止频率：7GHz有足够宽的频带； 1.8GHz时最佳噪音特性：Vce=8V, lc=10mA；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 管、二极管以及电阻电容等器件在ADS的器件库 中均可以找到。 LTICCOVM2尸1rsr Qi- ri.iZJiit-iI1 essesWE1VE 二h:-LJ ! LRrd 十MMidl 了-T偏置电路的设计在电路原理图窗口中点击，打开Component lib
7、rary按“ctrl+F1”打开搜索对话窗口搜索器件ph_hp_AT41411n这就是我们在该项冃申用到的Ag i I en t公司的晶祐管把搜索岀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probe components类，然后在这个类里面选 择L_Probe并放在适当的位置，同理可以在 “SourcesTime Domain”里面选择V_DC,在 lumped components里面选择R。在optim/stat/Yield/DOE类里面选择GOAL,这里 匚需要两个，还有一个OPTIMo在Simula
8、tion-DC里面选择一个DC。上面的器件和仿真器都按照下图放好，并连好线。按NAME钮岀现对话框后，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 电路节点定义名字，如下图中的“VcbS Veb55 节点。E .R . .R：R-aDOimc inokn t iaDOkn - V_DC, tLSRC2.t sciOp”n，.OptJnTfRgjwrn . ErrcrForm-U KaftB-ttD * F-2 Dere4Error-on SGUJlewl-4.$ettwa/aiej-vj$eeisaxsww 啊 saxGcae-10 如xOpttn 说jyio .UF62W
9、爼.axAirtoCTtfcif-iO* Ufa4lDp1Z3tri * 0烛|怅8幺，DC-0C1GslOpnCpr-b.fClnliftii&Mam*BC十 * lHWiUalOTtA忸* 只aiae力M Raigeuiii- RaigeUa)q-V12V(M3CWGcdCriant-ocrwac-b/W uiey r3i9e(a(i- raiyePiiiiq- rsagcPia：；Goab for rxHiunaT type optmiizotioiK2采用双电源供电的方法， 设置两个GOAL来进行两 个偏置电阻的优化，考虑 到振荡器中三极管的工作 状态最好是远离饱和区， 还要满足三极管
10、1.8GHz时 的最佳噪音特性，所以直 流偏置优化的目标是 lc=10mA, Vcb=5.3V, 如右图所示。Gedl,Jp,rrt3oanMuierre-* Equal:reExpr. Goal wrc5；i;n；God, for nonunar type opUmuotKMiZGoalirwiance Maw (me吃(俗laii1则血2畑加昭疋彌w|E咱：GoY 8申够加nOK |即酣 |geol |Re対 |H如 |设置接在“C极”上的电阻为600,优化范围为100 1000,把电源改为“12V”。同理，设置接在“E极”上的电阻为400,优化范围为100 -1000,把电源改为“一5V
11、” o三芟“F7”快捷键进行仿真。 二在Data Display窗口，就是新出来的窗口中，按LIST键， 选择“R1.R； R2.R”这样就会显示岀优化的直流电阻的数 值，如下图所示。R1.R可变电容VC特性曲线测试新建一个电路原理图窗口如上面的做法一个，建立 如右图所示的电路图，其 中erm上PARAMETER“PARAMETER SWEEP”都可以在 “Simulation S_Paramn里面找到。变容 簷的型号是“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。HIT1T=rri .TcrplMut=1Z-SOOmPARAMETER SWEEPPasir&v
12、心卩Sweep) WecpYxJ 申 2 snretsnM合诧1戸却 Smi-ctcnxharc(2- SJeretai卅 aire(3A 9mreten曲o唄4卜 wercstar沁 g5)= 9nrct0nNara(6- Start=lXop-10 3tep=05按VAR键并双击它，修改里面的项目，定义一个名为：“Vbias”的变量，设置Vbias=5V作为Vbias 的初始值 o_._ _ 修改电源的属性，使Vdc=Vbiaso修改S参数的属性, 并计算“Z参数”。设置单点扫描频率点1.8GHz,修改PARAMETER SWEEP的属性，要求扫描变“Vbias”,选择Simulatuio
13、n1t(SP1 扫描范围为110,间隔为0.5。按“F7”进行电路仿真。在 “Date Display55按Z Eqn,并在对话框里 编辑公衣为：在Eqn中选择C Varactor=-1/(2*pi*freq0 卩1 0)C_Varactor，得至JVC曲线和表格如下:EqnC_Varactor-1/(2*pHreq0rimag(Z11 0)一 0苦2吨 0VbiasVbiasC Varactor1.UUUy.023t-lz1 5009.426E-122.0009.202 E-122 5008.96BE-123 000S.6Q4E-123 5008.420E-124.0008.138E-124
14、 5007.852 E-125.0007.566 E-125 5007.281E-126 0007.000 E-120.5006.725 E-127 0006.457E-127 5006.106E-128.0005.945E-128.5005.703 E-129 0005.470E-129.5005.246E-1210 0005033E-12瞬态仿真电路图利用transient Simulation仿真器仿真从0到30nsec的瞬时波形，如下图所示: TF3D TrailStpTm-3OD me MactiTrtSfepaEi wee*VEVEiTEVJiC 4RCJ* W| IftllrkK
15、r也i：MCIitVOItc?CtiWfFRJ RCtM 注意：记得一定要添加“Vout”这个节点名称 按仟7”开始仿真。在出来的“Data Display”窗口里面，输出“Vout”的瞬时波瞬 个新的Marker Page OptionNew.Delta Mode OnDelta Mode Off,并 “new” “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。结果如下图所示：ID =18.42neocVout=583.7mV103) ZJ O)time, nsecSpectrumhsWouJJndep
16、gUirdepg)按Eqri编辑公式：画这表示要对“Vout”在“Marker”m3, m4之间进 行一个频举变换，这样岀来的Spectrum就是 m3和m 4之间的频谱。输岀Spectrum的图形，可以看到m3和m4NJ可的 频谱分量，加入“rnarker”m5就可以知道振荡器 大概振荡的频率，如下图:一m5 freq=1.850GHz SpecttUtTj=O 753/48 912VTa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
17、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1.850GH乙 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vco的振荡频率由变容二 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 极管的电容为825pF时，谐振 频率为1.8GH乙此时由前面得 到的VC曲线可以看到对应的二 极管直流偏置电压为3.8V。设置V dc = 3.8V后仿真得到的图 形如右图，从图中可以看到该 振荡器的振荡频率为1799G H z, 符合设计要求。m3 time=27.01nsec Vout=57i grriVr-p1time=28.68 nsec
18、Vout=571.9mVID，方OS-nr05-IE-tiine. nsecSpe c 1rum=fs (Vo ut ind ep(m3),in d ep(m4)2D ID W CO fO mm5freq=1 7990Hz Spechum=0 741 /48 586Vfrtq. OHz设置HB仿真器利用ADS里面的HB simulation可以仿真振荡器的相位噪音，如下图设置好HB仿真器，选择计算非线性噪音和调频噪音。HarmonicBalanceHB1-Freq1=1.8 GHz -Order1=9.FundOveample二4 NLNoiseMod e 二掉 s NLNoiseStart=
19、1 HzNLNoiseStop=10.0 MHz -NLNoiseStep=100kHz- FM_lsloise=yes .N o i s eNo d e 1 =VoutSortNoise=Sort by value t谐波平衡仿真电路图在振荡器里面加入一个Oscport器件配合使用，接在反馈网 络和谐振网络Z间，这是谐波平衡法仿真相位噪音的需要。二其中“OscPorf是在类“SimulatiorvHB”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一 个带通滤波器。如下图所示BARUONC BkLftNCE Hemcrtc8a2nar HB1 fn-q1)-12GHzOn3
20、ert：19 fdOuErsanple- NUM久如XHh.MLMClU*10DMHl .IILHCiJfSjBp.IQakHl.FW_Md5E-yt5 MOfCMlClWJr 8oclM5E*Srltry usiu:sOjcPcI .OcldierV. &r.i orm 仙 Ocbtfg,/ Fu-di-del .lAKLc-CflGcireiEpVA-”RPF.CXbM eu QPF1Blfypaw-1.7FJ9PlC-1d8；A#tefl-20dB!谐波频率和幅度仿真后生成的谐波频率和幅度如下:EqnSpectrum=d0m(H0Vout)harmindexfreq0eimiaj-9mL
21、L； E!9U1234567S9H21.736 GHz 3.472 GHz 5.20Q GHz 6.945 GHz S.6S1G-HZ 10.42 GHz 12.15GHz 13.8QGH2 15.63 G-Hzharm in dex相位噪音仿真结果-100-12D-m3noisefreq=100.0kHz3 pnmx=-107.2 dBc-140-1Q-C110noisefreq, MHz其屮，anmx是调幅噪咅，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noisefreqanmxpnfnnpnmx1.00
22、0 Hz-172.8 dBc 7.241 dBc-44.99 dBc100.0kHz-173 S dBc-107.2 dBc-107.2 dBc200.0kHz-173.8 dBc-113.3 dBc-113.3 dBc300.0kHz-173 S dBc 116.8 dBc-116.S dBc400.0kHz-173 8 dBc-119.3 dBc-119.3 dBc500.0kHz-173.8 dBc-121.2 dBc-121.2 dBcBOO.OkHz-173.S dBc-122.8 dBc-122.8 dBc700.0kHz-173 8 dBc-124.1 dBc-124.1 dBc
23、800.0kHz-173.8 dBc125.3 dBc-125.3 dBc900.0kHz-173.S dBc-125.3 dBc-126.3 dBc1.000MHz-173 S dBc-127.2 dBc-127.2 dBc1.100MHz-173.8 dBc-128.1 dBc-128.1 dBc1.200MHz-173 8 dBc-128.8 dBc-128.8 dBc1.300MHz-173.8 dBc-129.5 dBc-120.5 dBc1.4：i0MHz173.8 dBc-130.2 dBc130.2 dBc1.500 MHz-173.8 dBc-130.8 dBc-130.8
24、dBc1.600 MHz-173 8 dBc-131.3 dBc-131.3 dBc1.700MHz-173.S dBc131.9 dBc-131.8 dBc1.800MHz-173 S dBc-132.3 dBc-132.3 dBc1.900 MHz173 8 dBc-132.8 dBc-132.8 dBc2.000MHz-173.8 dBc-133.3 dBc-133.3 dBc2.100MHz-173 8 dBc-133.7 dBc-133.7 dBc2.200MHz173 8 dBc-134.1 dBc-134.1 dBc2.300MHz173.8 dBc-134.5 dBc134.5
25、 dBc2.400 MHz-173 8 dBc-134.8 dBc-134.8 dBc2.500MHz-173.8 dBc-135.2 dBc-135.2 dBc2.600MHz-173.8 dBc135.5 dBc-135.5 dBc2.700MHz-173 S dBc-135.9 dBc-136.9 dBc2.800MHz-173.8 dBc-136.2 dBc-136.2 dBc2.900 MHz-173 8 dBc-13B.5 dBc-136.5 dBc3.000MHz-173.8 dBc-136.8 dBc-136.8 dBcVCO振荡频率线性度分析把控制变容管电压的电源属性修改吕，
26、三Vdc”设 置为变量“Vtune”，增加-一个VAR变量 “Vtune” Z-H-ftRMOMIC BALANCE .HarTriijik：HabicsHHiFreq1-1E&Hz- Orcferl-S - -沖軸山直卜3.OscHqdees scPortNane-cecpDrtl- Swe即询卩讪诫* Start-1Stp-10註尸心修改谐波平衡仿真器，这 时不计算噪音，只是扫描 变量Vtune所以可以 把最后一行的Nonlinear noise”不给予选上。新得 到的HB仿真器如右图：在 “Date Display55里 点Rectangular Plot, 弹出对话框后点Advance
27、d键，输入- sweep仁freq，点击 0K后生成图形如右图 所示，从图中可以看 到压控的线性度还是 可以的，当Vtune= 375V时，振荡器的输 出频率为1.796GHz。2.1III2I 5678Vtune功率一频率曲线p owerfl atn e s s=vs (d B rn (Vo ut1 ),freq1/1 e9)freq1X1 e9. HzADS使用小结以上详细介绍了用ADS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ADS软件本身 功能强大，但是学习入门比较困难，而且用ADS 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Help是最好的解决方法。帮助
28、 里面的查找功能是非常强大的，基本上在ADS上 遇到的问题都可以从帮助里面找到答案，另外 ADS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 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 目标的。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vc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这两个参数才能使振荡频率达到1.GHZo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 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,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 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, 符合VCO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？