實(shí)驗(yàn)二 壓控振蕩器VCO的設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)二 壓控振蕩器VCO的設(shè)計(jì)（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康膎了解壓控振蕩器VCO的原理和設(shè)計(jì)方法n學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行VCO的設(shè)計(jì)，優(yōu)化和仿真。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容n了解振蕩器的主要技術(shù)指標(biāo)n使用ADS軟件設(shè)計(jì)一個(gè)VCO，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。n觀察不同的參數(shù)對(duì)VCO工作的影響振蕩器三個(gè)基本模塊1. 晶體管或電真空器件（主要用于高頻大功率）（負(fù)阻部件）2. 諧振回路：決定振蕩器的工作頻率因?yàn)橹挥信c回路諧振頻率一致的交變電磁場才能與電子進(jìn)行有效的相互作用。3. 能量反饋模塊（從放大器角度看）振蕩器的物理模型n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：（三）振蕩器的技術(shù)指標(biāo)n輸

2、出功率與效率n輸出譜線純，純到只有一根譜線n實(shí)際輸出譜：n描述這個(gè)譜的參數(shù)有：n頻率穩(wěn)定度n調(diào)頻噪聲和相位噪聲pff0 振蕩器輸出的頻譜（三）振蕩器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）n頻率穩(wěn)定度是在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度變化的最大值。它有兩種表示方法，即絕對(duì)頻率穩(wěn)定度和相對(duì)頻率穩(wěn)定度，通常用相對(duì)頻率穩(wěn)定度來表示。n振蕩頻率的隨機(jī)起伏稱為瞬時(shí)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(dòng)。振蕩幅度的隨機(jī)起伏將引起調(diào)幅噪聲。（四）ADS軟件的使用n本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計(jì)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。n下面開始按順序詳細(xì)介紹ADS軟件的使用方法。ADS軟件的啟動(dòng)n

3、啟動(dòng)ADS進(jìn)入如下界面創(chuàng)建新的工程文件n點(diǎn)擊File-New Project設(shè)置工程文件名稱（本例中為Oscillator）及存儲(chǔ)路徑創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）n工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）n同時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口打開VCO的設(shè)計(jì)n設(shè)計(jì)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(jì)前必須根據(jù)自己的指標(biāo)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(biāo)（設(shè)計(jì)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(jìn)行諧波仿真，分析相位噪音，生成壓控曲線，觀

4、察設(shè)計(jì)的振蕩器的壓控線性度。VCO的設(shè)計(jì)（續(xù)）n設(shè)計(jì)指標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)壓控振蕩器，振蕩頻率在1.8GHz左右。n第一步根據(jù)振蕩頻率確定選用的三極管，因?yàn)槭菈嚎卣袷幤?，所以還需要一個(gè)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(jìn)行諧波仿真，計(jì)算相位噪音。管子的選取n設(shè)計(jì)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。nAT41411的主要指標(biāo)有：n低噪音特性：1GHz噪音系數(shù)是1.4dB，2GHz噪音系數(shù)是1.8dB；n高增益：1GHz時(shí)增益為18dB，2GHz時(shí)增益為13dB；n截止頻率：7GHz，

5、有足夠?qū)挼念l帶；n1.8GHz時(shí)最佳噪音特性：Vce8V，Ic10mA；振蕩器采用的初始電路n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。偏置電路的設(shè)計(jì)n在電路原理圖窗口中點(diǎn)擊，打開Component libraryn按“ctrl+F1”打開搜索對(duì)話窗口n搜索器件“ph_hp_AT41411”這就是我們?cè)谠擁?xiàng)目中用到的Agilent公司的晶體管n把搜索出來的器件拉到電路原理圖中，按“Esc”鍵可以取消當(dāng)前的動(dòng)作。n選中晶體管，按可以旋轉(zhuǎn)晶體管，把晶體管安放到一個(gè)合適的位置。n選擇probe components 類，然后在這個(gè)類里面選擇L

6、_Probe并放在適當(dāng)?shù)奈恢?，同理可以在“SourcesTime Domain”里面選擇V_DC，在lumped components里面選擇R。n在optim/stat/Yield/DOE類里面選擇GOAL，這里需要兩個(gè)，還有一個(gè)OPTIM。n在SimulationDC里面選擇一個(gè)DC。n上面的器件和仿真器都按照下圖放好，并連好線。 n按NAME鈕出現(xiàn)對(duì)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(diǎn)一下，就會(huì)自動(dòng)給電路節(jié)點(diǎn)定義名字，如下圖中的“Vcb”，“Veb”節(jié)點(diǎn)。n n采用雙電源供電的方法，設(shè)置兩個(gè)GOAL 來進(jìn)行兩個(gè)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(yuǎn)離飽和區(qū)

7、，還要滿足三極管1.8GHz時(shí)的最佳噪音特性，所以直流偏置優(yōu)化的目標(biāo)是Ic=10mA，Vcb5.3V，如右圖所示。n設(shè)置接在“C極”上的電阻為600，優(yōu)化范圍為1001000，把電源改為“12V” 。n同理，設(shè)置接在“E極”上的電阻為400，優(yōu)化范圍為1001000，把電源改為“5V” 。n按“F7”快捷鍵進(jìn)行仿真。n在Data Display窗口，就是新出來的窗口中，按LIST鍵，選擇“R1.R；R2.R”這樣就會(huì)顯示出優(yōu)化的直流電阻的數(shù)值，如下圖所示。 可變電容VC特性曲線測試n新建一個(gè)電路原理圖窗口n如上面的做法一個(gè)，建立如右圖所示的電路圖，其中“Term”、“S-PARAMETE”、“

8、PARAMETER SWEEP”都可以在“SimulationS_Param”里面找到。變?nèi)莨艿男吞?hào)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。n按VAR鍵并雙擊它，修改里面的項(xiàng)目，定義一個(gè)名為：“Vbias”的變量，設(shè)置Vbias5V作為Vbias的初始值。n修改電源的屬性，使VdcVbias。n修改S參數(shù)的屬性，設(shè)置單點(diǎn)掃描頻率點(diǎn)1.8GHz，并計(jì)算“Z參數(shù)”。n修改PARAMETER SWEEP的屬性，要求掃描變量“Vbias” ，選擇Simulatuion1“SP1”，掃描范圍為110，間隔為0.5。 n按“F7”進(jìn)行電路仿真。n在“Date Displa

9、y”按Eqn，并在對(duì)話框里編輯公式為： n在Eqn中選擇C_Varactor ，得到VC曲線和表格如下：VC特性曲線瞬態(tài)仿真電路圖n利用Transient Simulation 仿真器仿真從0 到30nsec 的瞬時(shí)波形， 如下圖所示：n注意：記得一定要添加“Vout”這個(gè)節(jié)點(diǎn)名稱 n按“F7”開始仿真。n在出來的“Data Display”窗口里面，輸出“Vout”的瞬時(shí)波形，按 ，并“new”一個(gè)新的n“Marker”，在“Vout”的瞬時(shí)波形圖中，點(diǎn)擊一下，然后移動(dòng)鼠標(biāo)，把“marker”移動(dòng)到需要的地方，就可以看到該點(diǎn)的具體數(shù)值。 n結(jié)果如下圖所示：n按Eqn編輯公式：n這表示要對(duì)“V

10、out”在“Marker”m3，m4之間進(jìn)行一個(gè)頻率變換，這樣出來的“Spectrum”就是m3和m4之間的頻譜。 n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：n 結(jié)果分析n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(shí)間，從抽出兩點(diǎn)m3，m4的數(shù)據(jù)可以看出，該振蕩波形是相當(dāng)穩(wěn)定的，幅度差可以不必考慮，頻譜純度也較高，對(duì)m3和m4這段時(shí)域進(jìn)行fs變換，可以看到振蕩器振蕩頻率的頻譜，從m5標(biāo)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(jì)的指標(biāo)1.8GHz有差距，需要進(jìn)行調(diào)整。 調(diào)

11、整優(yōu)化的結(jié)果n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(jì)算得到當(dāng)變?nèi)荻O管的電容為8.25pF時(shí)，諧振頻率為1.8GHz，此時(shí)由前面得到的VC曲線可以看到對(duì)應(yīng)的二極管直流偏置電壓為3.75V。n設(shè)置Vdc3.75V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(jì)要求。 n 設(shè)置HB仿真器n利用ADS里面的 HB simulation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(jì)算非線性噪音和調(diào)頻噪音。n 設(shè)置HB仿真器諧波平衡仿真電路圖n在振蕩器里面加入一個(gè)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

12、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(gè)帶通濾波器。如下圖所示：n 諧波頻率和幅度 n仿真后生成的諧波頻率和幅度如下：相位噪音仿真結(jié)果n其中，anmx是調(diào)幅噪音，單位是dBc/Hz；pnmx是相位噪音，單位是dBc/Hz 。 相位噪音的具體數(shù)值 VCO振蕩頻率線性度分析 n把控制變?nèi)莨茈妷旱碾娫磳傩孕薷囊幌拢癡dc”設(shè)置為變量“Vtune”，增加一個(gè)VAR變量“Vtune” n修改諧波平衡仿真器，這時(shí)不計(jì)算噪音，只是掃描變量“Vtune”，所以可以把最后一行的“Nonlinear noi

13、se”不給予選上。新得到的HB仿真器如右圖： n 修改HB仿真器屬性n在“Date Display”里點(diǎn)Rectangular Plot，彈出對(duì)話框后點(diǎn)Advanced鍵，輸入*.freq1，點(diǎn)擊OK后生成圖形如右圖所示（*指的是圖形文件名，默認(rèn)與原理圖名稱一致），從圖中可以看到壓控的線性度還是可以的，當(dāng)Vtune3.75V時(shí)，振蕩器的輸出頻率為1.796GHz。 輸出電壓與頻率之間的關(guān)系功率頻率曲線 輸出功率與頻率之間的關(guān)系A(chǔ)DS使用小結(jié)n以上詳細(xì)介紹了用ADS設(shè)計(jì)微波振蕩器的過程，在設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)最大的體會(huì)是ADS軟件本身功能強(qiáng)大，但是學(xué)習(xí)入門比較困難，而且用ADS設(shè)計(jì)振蕩器的資料很少，

14、實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)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(qiáng)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(shí)找不到，建議使用器件庫來搜索。 VCO設(shè)計(jì)小結(jié)n設(shè)計(jì)過程中要考慮的首要問題就是管子的選取，設(shè)計(jì)前必須根據(jù)自己的指標(biāo)確定管子的參數(shù)，從后來的設(shè)計(jì)來看，管子選得不好是很難達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的。 n設(shè)計(jì)振蕩器最重要的是使振蕩頻率滿足預(yù)定的指標(biāo)，而在這次的壓控振蕩器設(shè)計(jì)中與振蕩器頻率直接相關(guān)的有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)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(gè)是振蕩器的反饋電感。在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)過多次調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)才能使振蕩頻率達(dá)到1.8GHz。 n噪聲分析也是振蕩器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的方面。