实验一 压控振荡器VCO的设计ppt课件

1、实验一 压控振荡器VCO的设计一实验目的n了解压控振荡器VCO的原理和设计方法n学习运用ADS软件进展VCO的设计，优化和仿真。二实验内容n了解振荡器的主要技术目的n运用ADS软件设计一个VCO，并对其参数进展优化、仿真。n察看不同的参数对VCO任务的影响振荡器三个根本模块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：决议振荡器的任务频率由于只需与回路谐振频率一致的交变电磁场才干与电子进展有效的相互作用。3. 能量反响模块从放大器角度看振荡器的物理模型n振荡器的物理模型，主要由谐振网络、晶体管和输入网络这三部分组成。如以下图所示：三振荡器的技术目的n输出功率与效率n输出谱线

2、纯，纯到只需一根谱线n实践输出谱：n描画这个谱的参数有：n频率稳定度n调频噪声和相位噪声pff0 振荡器输出的频谱三振荡器的技术目的续n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。n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ADS软件的运用n本节内容是引见运用ADS软件设计VCO的方法：包括原理图绘制，电路参数的调整优化、仿真等。n下面开场按顺序详细引见ADS软件的运用方法。ADS软件的启动n启动ADS进入如下界面创建新的工程

3、文件n点击File-New Project设置工程文件称号本例中为Oscillator及存储途径创建新的工程文件续n工程文件创建终了后主窗口变为以下图创建新的工程文件续n同时原理图设计窗口翻开VCO的设计n设计振荡器这种有源器件，第一步要做的就是管子的选取，设计前必需根据本人的目确实定管子的参数 ，选好三极管和变容二极管；第二步是根据三极管的最正确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，先由目的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；第四步是进展谐波仿真，分析相位噪音，生成压控曲线，察看设计的振荡器的压控线性度。VCO的设计续n设

4、计目的：设计一个压控振荡器，振荡频率在1.8GHz左右。n第一步根据振荡频率确定选用的三极管，由于是压控振荡器，所以还需求一个变容二极管；第二步需求用到ADS的直流仿真；第三步经过S参数仿真确定变容二极管的VC曲线；第四步用HB模块来进展谐波仿真，计算相位噪音。管子的选取n设计的振荡器采用HP 公司消费的AT41411 硅双极管12，变容二极管选MV1404。nAT41411的主要目的有：n低噪音特性：1GHz噪音系数是1.4dB，2GHz噪音系数是1.8dB；n高增益：1GHz时增益为18dB，2GHz时增益为13dB；n截止频率：7GHz，有足够宽的频带；n1.8GHz时最正确噪音特性：V

5、ce8V，Ic10mA；振荡器采用的初始电路n振荡器采用的初始电路如以下图所示，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。偏置电路的设计n在电路原理图窗口中点击，翻开Component libraryn按“ctrl+F1翻开搜索对话窗口n搜索器件“ph_hp_AT41411这就是我们在该工程中用到的Agilent公司的晶体管n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。n选中晶体管，按可以旋转晶体管，把晶体管安放到一个适宜的位置。n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“Sourc

6、esTime Domain里面选择V_DC，在lumped components里面选择R。n在optim/stat/Yield/DOE类里面选择GOAL，这里需求两个，还有一个OPTIM。n在SimulationDC里面选择一个DC。n上面的器件和仿真器都按照以下图放好，并连好线。 n按NAME钮出现对话框后，可以输入他需求的名字并在他需求的电路图上面点一下，就会自动给电路节点定义名字，如以下图中的“Vcb，“Veb节点。n n采用双电源供电的方法，设置两个GOAL 来进展两个偏置电阻的优化，思索到振荡器中三极管的任务形状最好是远离饱和区，还要满足三极管1.8GHz时的最正确噪音特性，所以直

7、流偏置优化的目的是Ic=10mA，Vcb5.3V，如右图所示。n设置接在“C极上的电阻为600，优化范围为1001000，把电源改为“12V 。n同理，设置接在“E极上的电阻为400，优化范围为1001000，把电源改为“5V 。n按“F7快捷键进展仿真。n在Data Display窗口，就是新出来的窗口中，按LIST键，选择“R1.R；R2.R这样就会显示出优化的直流电阻的数值，如以下图所示。 可变电容VC特性曲线测试n新建一个电路原理图窗口n如上面的做法一个，建立如右图所示的电路图，其中“Term、“S-PARAMETE、“PARAMETER SWEEP都可以在“SimulationS_P

8、aram里面找到。变容管的型号是“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。n按VAR键并双击它，修正里面的工程，定义一个名为：“Vbias的变量，设置Vbias5V作为Vbias的初始值。n修正电源的属性，使VdcVbias。n修正S参数的属性，设置单点扫描频率点1.8GHz，并计算“Z参数。n修正PARAMETER SWEEP的属性，要求扫描变量“Vbias ，选择Simulatuion1“SP1，扫描范围为110，间隔为0.5。 n按“F7进展电路仿真。n在“Date Display按Eqn，并在对话框里编辑公式为： n在Eqn中选择C_Varactor ，得到

9、VC曲线和表格如下：VC特性曲线瞬态仿真电路图n利用Transient Simulation 仿真器仿真从0 到30nsec 的瞬时波形， 如以下图所示：n留意：记得一定要添加“Vout这个节点称号 n按“F7开场仿真。n在出来的“Data Display窗口里面，输出“Vout的瞬时波形，按 ，并“new一个新的n“Marker，在“Vout的瞬时波形图中，点击一下，然后挪动鼠标，把“marker挪动到需求的地方，就可以看到该点的详细数值。 n结果如以下图所示：n按Eqn编辑公式：n这表示要对“Vout在“Markerm3，m4之间进展一个频率变换，这样出来的“Spectrum就是m3和m4

10、之间的频谱。 n输出Spectrum的图形，可以看到m3和m4之间的频谱分量，参与“markerm5就可以知道振荡器大约振荡的频率，如以下图：n 结果分析n从波形可以看到，振荡器曾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，幅度差可以不用思索，频谱纯度也较高，对m3和m4这段时域进展fs变换，可以看到振荡器振荡频率的频谱，从m5标志的数值可以看出，该振荡器的振荡频率为1.850GHz，与设计的目的1.8GHz有差距，需求进展调整。 调整优化的结果n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议，经计算得到当变容二极管的电

11、容为8.25pF时，谐振频率为1.8GHz，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。n设置Vdc3.8V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1.799GHz，符合设计要求。 n 设置HB仿真器n利用ADS里面的 HB simulation可以仿真振荡器的相位噪音，如以下图设置好HB仿真器，选择计算非线性噪音和调频噪音。n 谐波平衡仿真电路图n在振荡器里面参与一个Oscport器件配合运用，接在反响网络调和振网络之间，这是谐波平衡法仿真相位噪音的需求。其中“OscPort是在类“Simulation-HB里面。另外，思索到该器件的频率隔离度不够高

12、，所以可以在输出端加一个带通滤波器。如以下图所示：n 谐波频率和幅度 n仿真后生成的谐波频率和幅度如下：相位噪音仿真结果n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 。 相位噪音的详细数值 VCO振荡频率线性度分析 n把控制变容管电压的电源属性修正一下，“Vdc设置为变量“Vtune，添加一个VAR变量“Vtune n修正谐波平衡仿真器，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： n n在“Date Display里点

13、Rectangular Plot，弹出对话框后点Advanced键，输入sweep1.freq1，点击OK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Vtune3.75V时，振荡器的输出频率为1.796GHz。 功率频率曲线 ADS运用小结n以上详细引见了用ADS设计微波振荡器的过程，在设计过程中的一个最大的领会是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，实践设计时会遇到各种各样的问题，多看Help是最好的处理方法。协助里面的查找功能是非常强大的，根本上在ADS上遇到的问题都可以从协助里面找到答案，另外ADS器件库的搜索速度虽然比较慢，但还是很好用的，假设有什么器件一时找不到，建议运用器件库来搜索。 VCO设计小结n设计过程中要思索的首要问题就是管子的选取，设计前必需根据本人的目确实定管子的参数，从后来的设计来看，管子选得不好是很难到达预定目的的。 n设计振荡器最重要的是使振荡频率满足预定的目的，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曲线决议；另一个是振荡器的反响电感。在设计过程中经过多次调整这两个参数才干使振荡频率到达1.8GHz。 n噪声分析也是振荡器设计的一个重要的方面。设计过程