ADS教程第7章.doc

实验七、谐波平衡法仿真概 述本练习将继续进行1.9G放大器（amp_1900)的设计和给出谐波平衡仿真器的基本知识，谐波平衡仿真能分析频谱、压缩输出功率，计算TOI和其它一些非线性测量。任 务l 建立并运行一个基频谐波平衡仿真。l 建立并运行一个双频谐波平衡仿真。l 应用仿真和源控制的变量。l 测试增益，压缩功率输出，资用功率，噪声系数，三阶交调（IP3 )和其它一些特性。l 在谐波平衡(HB)数据中运用ts（时间序列）变换。l 方程式、平面曲线和MIX表格的操作。目 录1. 建立一个具有P1基频源的电路1162. 建立一个单音（one-tone)谐波平衡仿真1163. 对Vout以dBm为单位写一个测量方程式并仿真1164. 对频谱、方程和节点电压的ts（时间序列）作图1175. 运用函数和索引对Vout和Mix进行操作1186. 对传递功率和Zin进行仿真 1207. 运用XDB仿真器对增益压缩进行测试1218. 对扫描的功率的压缩状况进行仿真 1229. 对不同的增益、功率和线性方程作图12410. 带变量的双音（two-tone）谐波平衡仿真12511. 运用方程获取和控制谐波平衡数据 12612. 对IP3或TOI (3阶交截点）仿真12713. 选作一针对TOI测量作RF功率扫描128步 骤1建立一个具有P-I基频源的电路 a如果文件system_prj仍然打开，就关掉它。然后，打开任务amp_1900和原理图s_final。b用一个新名称：hb_basic保存原理图s_final。删除所有仿真测量组件及输入端口(Term)。如下图一样开始建立设置。 c为RF输入端插入一个P_1 Tone（从source_Freq Domain面板调入）。 d如图示输入4个pin labels（node names节点名）：Vin，Vout，VC和 VB，这样电压在数据组（dataset）中是可用的。e如图设置RF源：Freq（频率）=1 900MHz，同时，去掉极性（Polar）函数，只剩dbm_to_watts函数：P=dbmtow（- 40）。同时将源的名称转换为RF_source。端口数被定义为Num=1。2.建立一个单音谐波平衡仿真a进入Simulation-HB面板并如下图在原理图上放入谐波平衡仿真控制器。b在屏幕上进行频率设置：改变频率为Freql=1900MHz，使其与P_lTone源的频率相匹配。3.对Vout以dBm of Vout）写一个测量方程式并仿真a从仿真面板中，在原理图上插入一个测量方程（measurement equation）。b写一个方程式，计算在Vout点的输出功率 用dBm表示：dbm_out=dBm(Vout1),方括号1中的数字指的是在分析中计算频率的索引值。当Order=3时，索引值表示为：index0是直流，indexl是1900MHz，index2是二次谐波即3800MHz。index3是指三次谐波。因此，方程式应只表示以dBm表示的1900MHz的输出功率。c仿真现在应该没有任何警告和错误信息。d改变谐波平衡控制器的频率为：Freq1=1800MHz。现在，再次仿真，并阅读错误信息源的频率与谐波平衡器频率1800MHz相差100MHz。当源频率与控制器频率不同时，就会出现这种常见的错误。e重新设置谐波平衡控制器频率，改为：Freq1=1900MHz并再次仿真。4.对频谱、方程和节点电压的ts（时间序列）作图a在数据显示中，对Vout(dBm)作图。同时，插入一个dbm_out列表。无论你何时写入一个测量方程，该列表都将出现在数据组中。这两个值应该与下图所示相同。b把一个Marker（标记）放在基频上，并验证你的放大器在1.9GHz频率点上当输出功率dBm=-4.876时，是否有大约35dB的增益。结果的备注：若在仿真控制器中将Order设为3，你将得到3个频率：一个基波和两个谐波。DC成分也总是出现在图中，因为谐波平衡法总是要计算DC的收敛。c插入一个stacked矩形图并插入两个数据轨迹作为时域信号：Vin和Vout。 ts（时间序列）函数作用于谐波平衡法并将结果转换到时域。在这个例子中，你将发现放大器并不是如你希望的那样转换信号。在下图中这两个信号被分离成两个图。如图示把Maker放在同一时间点。d在轨迹图中（如图）直接把Vout改为VC，Vin改为VB来编辑y轴标识。现在就能看到反相了。这就说明匹配网络对相位有着很大的影响。5.运用函数和索引对vout和mix进行操作a如图所示插入一Mix和Vout的列表。不管谐波仿真何时运行，在数据组中就会产生一个Mix表格（索引值）。注意到除非你是用的是dB, dBm,等单位，否则Vout是一个复数（幅度和角度）。在下面的步骤中，你将学会在Mix表格里怎样列方程以显示或对一个特定的频率进行操作与方程式。不管是在多音还是混频发生的情况下，这都特别有用。b编辑列表并加入Vin。通过双击列表，进入“Plot Traces & Attributes”对话框。点击“Advanced”按钮。过输入dBm函数，编辑Vin：dBm(Vin），然后点OK。.请注意不论你何时变量信息或函数帮助按钮都会出现。c现在你的列表中应包含原理图的方程dBm_out和表达式dBm(Vin)（对所有的频率）。现在，通过键入在Vin自变量中的索引值1来编辑dBm(Vin)数据（如图所示）。现在就得到在索引频率或1900MHz下的Vin的值。d在dBm_out方程式中输入1它会变为无效，因为在原理图中它是以1的格式被索引的。e从无效的dBm_out方程中去掉1，这使得dBm_out方程再次有效。f如下图所示，将光标插入dBm(Vin1）表达式并键入逗号”，”和50，如图所示。dBm函数中第二个自变量是Zin。如果自变量没有给出，默认值就是50，因此不需要任何改变。去掉“，”和“50”，即“，50”，再读一次dBm（Vin1）的值。关于设计中dBm函数和Zin的备注：dBm函数是将电压值转化为dBm表示。（在假定50阻抗的前提下）。但是，如果Zin并不是50，则Vin的功率可能不正确。因此，想正确使用的Zin值，参看下面的步骤。6对传输功率和Zin进行仿真。 a在hb_basic设计中，从Probe Compenents面板中调出一个电流指示器（current probe），改变实例名为I_in,你将会在一个方程中用到它。b仿真完后，运用I_in为平均传输功率写一个数据显示方程。注意：0.5表示峰值的平均值。conj函数将复数电流转换为它的共扼形式。因为V&I一定在相位中有耗散功率，将电压转换为dBm后再加30(相当于除以0.001）。c如图，运用在1900MHz处的Vin和I_in另写一个方程式计算Zin。然后，插入一个Z-in方程列表。注意到复数阻抗并不是50。d编辑你前面的dBm(vin1）的列表并删除dbm_out,加入方程式P_del_dBm.同时加入另一条Vin轨迹，并编辑轨迹表达式为：dBm(Vin1,Z_in)现在，你有三种方式计算和比较输入功率了。请注意其中有两个值是相同的。7运用XDB仿真器对增益压缩进行测试XDB仿真控制器是一个谐波平衡仿真中专门用于增益压缩的仿真器。 a保存你目前所有工作：原理图和数据显示器，以一个新名称hb_compression保存原理图。然后，关闭hb basic数据显示。b在新的原理图中，禁用(deactivate）HB1控制器。c进入simulation_XDB面板并在原理图中插入XDB控制器。在屏幕上编辑控制器，使得Freq1和GC输入输出频率都是1.9GHz,如右图。参数GC_xdB=1表示测试的是1dB压缩。如果你想考察3或6dB压缩，改变值就可以了。d在Simulation Setup中，改变数据组名为hb_xdb,然后仿真。e当数据显示打开后，调入inpwr和outpwr的列表。通过直接在数据后加入一个1来编辑列表（如图所示）。如果希望有标题，也可以如图加入标题。你刚才运行1dB增益压缩测试只用了几秒钟，这是因为放大器偏置非常高。1dB压缩点大约在输入功率为一29dBm处。后面步骤中，你将改变原理图和设置一个谐波平衡功率扫描这是测试压缩的另一个方法。8用功率扫描对压缩状况进行仿真。a禁用XDB，激活HB控制器。b插入一个VAR的变量方程，RF_pwr= -40。c设置RIF源的功率变量为：P=dbmtow(Rf_pwr)。 d编辑谐波平衡（HB）控制器，在扫描（sweep）这一栏，设置RF_pwr扫描从-50到-20，步长为1，如图所示。e进入Display这一栏并设置SweepVar,它的值将在HB控制器元件上显示（如上图所示）。f改变数据组名为：hb_comp并仿真。当数据显示打开时，选择NO来改变数据组这将使得XDB数据作为默认数据组有效。现在，你应能准确地画出hb_comp数据这是一个普通的练习。g插入一平面图并选择hb_comp数据组，然后画出原理图测量方程式dbm_ out.在轨迹上插入一个Marker。插入点是 RF_pwr的值靠近XDB inpwr值：-31的地方。正如你看到的，两个值很接近但不同，这是因为扫描方法不同XDB仿真通常用更紧密间隔的数值扫描。9对不同的增益、功率和线性方程作图 a.用dbm_out测量方程式写一个dB_gain方程。从dBm_out减去线性化的输入RF_pwr, 得到的结果是在所有RF输入功率值的增益的值。b编辑dBm_out图并加入dB_gain方程Y轴刻度将自动调整。你可以加入Markers比较（在同一RF功率下）两者的值（如图所示）。c为画出dB_gain与输出功率之间的关系曲线，插入一新的平面图，加入dB_gain方程并点击AddVs.然后，选择hb_comp数据组和X轴的独立变量：dBm_out并点击OK,如图增益有明显下落。用Marker读出其数值。d再写一个方程式，用line生成一条线性直线(extrapolated data推断数据），这代表没有压 缩的理想输出功率。对每个点的RF功率，在第一个数据点0加入没有压缩的增益，你将得到理想增益或直线。c插入一个dBm_out的新图（用hb_comp的数据）同时加入Line直线。明显可以看出放大器与线性输出功率直线偏离。f保存所有的作业。10.带变量的双音谐波平衡仿真在下面几个步骤中，我们将看到在仿真控制中更多地用到变量。这对于在以后几个实验中，复杂电路的化简和计算是很重要的，同时，对于使用了该仿真控制的ADS范例也是很重要的。a用一新名称hb_2Tone保存上一个设计。b编辑VAR，并对RF_f req和spacing加入变量，如下图所示。这里没有要求Vbias（电压偏置）如果你前面做了选作练习，则Vbias可以加也可以不加。在VAR单元里的备注这里设置的单元不要在其它地方设置它们，否则在其它仿真中它们也可能同时起作用。c改变源为P_nTone,并对其编辑使具有双音：Freq1和2都具有RF_pwr,如图所示。d编辑谐波平衡控制器：加入另一个频率Freq2及数值，如图示，使用Spacing变量1/2。同时，对两者设置Order=4，MaxOrder=8。这个例子中，RF双音间隔5MHz。e从控制中去掉RF_pwr扫描：可以通过从屏幕或在对话和显示中去掉它。同时，去掉其它控制器或不想要的元件并再次保存设计图。f仿真并作出以dBm表示的Vout的频谱图。在1. 9GHz附近放置一个Marker,你可以发现不能看清其附近的谱。为了看到这些互调成分，你可以将图放大，也可以改变X轴刻度。尽快地尝试使用这两种方式，因为下面我们将介绍有关使用方程的技巧。11运用方程获取并控制谐波平衡数据a为所希望的频谱（tones）创建一个矢量矩阵（索引值）。为此，写出一个频率方程，如图所示。这个方程用方括号建立一个矩阵。方括号里面的大括号给出mix表格的索引值。在这个例子中，数字1代表具有调节间隔的RF频率，零代表没有频率成分（如同直流），“2”代表对RF仿真频率的两倍。b插入一个以dBm表示Vout频谱的矩形图。如图，使用Trace Options（轨迹选择）编辑the Trace Expression（轨迹表达式），如图所示。使用圆括号输入：dBm (mix（Vont，tones），同时，设置频谱的Trace Type（曲线类型）。c图中应该显示的是你设定的四个频率点的频谱（10MHz间隔）。证明方法如下：插入一个Mix的列表，表格Mix中的索引值是你在tones方程中指定的频率。这就是通过方程获得并控制谐波平衡数据的方法。12对IP3或TOI（third order intercect三阶交截点）仿真。a.在hb_2Tone原理图上，插入两个谐波平衡IP3out测量方程。一个为上边频，另一个为下边频。许多测量方程都要求双音（即双频）。因此，如右图所示用upper和lower命名实例名。b请注意默认的节点标记（Vout），矢量1，0和阻抗50。为了使电路与这些值匹配，将vout改为Vout（上面例子为v）。然后，根据最近一次仿真得到的mix表格设置索引值，如图所示（只有lower_toi需要改变）。c检查方程的正确性，然后仿真。d在数据显示中，列出两个测量方程的值，如右图所示。使用Plot选项去掉独立变量。这时，放大器TOI值比较合理而且几乎对称。e作为一个使用ADS函数控制数据的练习，在数据显示器为同一测量写一方程，如下图所示。然后如图一样对其列表（my_toi）。因为运用了同一函数ip3_out,所以你得到的值是一样的。唯一不同的是它是仿真后得到的。同时，在这个实验末尾的选作步骤中你将用到这个方程式。f作出以dBm表示的vout的频谱图，并在图上放大(zoom in)观察你刚才仿真的双频。 把Marker放在上边基频和3阶频率上这些应该与在Mix表格中的频率值匹配。备注你可以容易地返回到原理图上，调节间隔VAR值并再次仿真。所有的方程、图和表格都会刷新为新的数据。这就是为仿真和数据显示使用变量的价值。g保存原理图和数据显示。关于混频器测量的备注如果你要设计混频器，在仿真控制器中，本振（LO）应为Freq1，因为它有最大功率。同时，在测量方程中，你应该把双音数据当作三音处理：本振LO，上边频RF1和下边频RF2。例如，作为一个下变频器的上边频IP3方程，将引用下面的索引值：-1 ,1，0，-1，2，I，这里“-1”代表的是本振信号音。13选作针对TOI测量作RF功率扫描本步骤说明当输入功率使的器件工作点趋向于压缩点时，对TOI的影响。总的来说，许多测量在指定的要求下被精炼而得到更好的测量结果。为达到这个目的，你必须有一个像ADS这样具有强大功能的非线性仿真器和数据显示的工具。a用hb_toi为名字另存设计hp_2Tone，设置谐波平衡仿真控制作RF功率扫描，如右图范围从-45dBm到-30dBm。你已经测到1dB压缩点（RF输入功率约为-3ldBm)，同时你也完成了TOI的测量（大约15dBm)。b仿真并观察在数据显示中的变化。c编辑My_toi列表，使其包括独立数据（RF_pwr)。增加列表的宽度使其所有数据中都能展现出来。正如你看到的，随着RF_pwr的增大，TOI变化逐渐变大。但是，变化并不是线性的。下面的操作将更细致地表现这种变化。d把my_toi列表转变为一个Rectangular Plot（矩形图）（Plot Options一点击图形类型图标）。然后就在这个图上，插入以dBm表示的Vout,同时编辑轨迹表达式。再回到RF上边频，如下图所示，现在你能看到在这个频率下TOI测量结果是怎样表现出来的。关于Vout数据的各注：你必须运用Mix函数，因为Vout包含了41个频率点。包括：2个基波，每个基