1、實驗二 壓控振蕩器VCO的設計（一）實驗目的n了解壓控振蕩器VCO的原理和設計方法n學習使用ADS軟件進行VCO的設計，優化和仿真。（二）實驗內容n了解振蕩器的主要技術指標n使用ADS軟件設計一個VCO，并對其參數進行優化、仿真。n觀察不同的參數對VCO工作的影響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）振蕩器的物理模型n振蕩器的物理模型，主要由諧振網絡、晶體管和輸入網絡這三部分組成。如下圖所示：（三）振蕩器的技術指標n輸

2、出功率與效率n輸出譜線純，純到只有一根譜線n實際輸出譜：n描述這個譜的參數有：n頻率穩定度n調頻噪聲和相位噪聲pff0 振蕩器輸出的頻譜（三）振蕩器的技術指標（續）n頻率穩定度是在規定的時間間隔內，頻率準確度變化的最大值。它有兩種表示方法，即絕對頻率穩定度和相對頻率穩定度，通常用相對頻率穩定度來表示。n振蕩頻率的隨機起伏稱為瞬時頻率穩定度，頻率的瞬變將產生調頻噪聲、相位噪聲和相位抖動。振蕩幅度的隨機起伏將引起調幅噪聲。（四）ADS軟件的使用n本節內容是介紹使用ADS軟件設計VCO的方法：包括原理圖繪制，電路參數的調整優化、仿真等。n下面開始按順序詳細介紹ADS軟件的使用方法。ADS軟件的啟動n

3、啟動ADS進入如下界面創建新的工程文件n點擊File-New Project設置工程文件名稱（本例中為Oscillator）及存儲路徑創建新的工程文件（續）n工程文件創建完畢后主窗口變為下圖創建新的工程文件（續）n同時原理圖設計窗口打開VCO的設計n設計振蕩器這種有源器件，第一步要做的就是管子的選取，設計前必須根據自己的指標確定管子的參數 ，選好三極管和變容二極管；第二步是根據三極管的最佳噪音特性確定直流偏置電路的偏置電阻；第三步是確定變容二極管的VC特性，先由指標（設計的振蕩器頻率）確定可變電容的值，然后根據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

4、察設計的振蕩器的壓控線性度。VCO的設計（續）n設計指標：設計一個壓控振蕩器，振蕩頻率在1.8GHz左右。n第一步根據振蕩頻率確定選用的三極管，因為是壓控振蕩器，所以還需要一個變容二極管；第二步需要用到ADS的直流仿真；第三步通過S參數仿真確定變容二極管的VC曲線；第四步用HB模塊來進行諧波仿真，計算相位噪音。管子的選取n設計的振蕩器采用HP 公司生產的AT41411 硅雙極管12，變容二極管選MV1404。nAT41411的主要指標有：n低噪音特性：1GHz噪音系數是1.4dB，2GHz噪音系數是1.8dB；n高增益：1GHz時增益為18dB，2GHz時增益為13dB；n截止頻率：7GHz，

5、有足夠寬的頻帶；n1.8GHz時最佳噪音特性：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。偏置電路的設計n在電路原理圖窗口中點擊，打開Component libraryn按“ctrl+F1”打開搜索對話窗口n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”鍵可以取消當前的動作。n選中晶體管，按可以旋轉晶體管，把晶體管安放到一個合適的位置。n選擇probe components 類，然后在這個類里面選擇L

6、_Probe并放在適當的位置，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，還有一個OPTIM。n在SimulationDC里面選擇一個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，就會自動給電路節點定義名字，如下圖中的“Vcb”，“Veb”節點。n n采用雙電源供電的方法，設置兩個GOAL 來進行兩個偏置電阻的優化，考慮到振蕩器中三極管的工作狀態最好是遠離飽和區

7、，還要滿足三極管1.8GHz時的最佳噪音特性，所以直流偏置優化的目標是Ic=10mA，Vcb5.3V，如右圖所示。n設置接在“C極”上的電阻為600，優化范圍為1001000，把電源改為“12V” 。n同理，設置接在“E極”上的電阻為400，優化范圍為1001000，把電源改為“5V” 。n按“F7”快捷鍵進行仿真。n在Data Display窗口，就是新出來的窗口中，按LIST鍵，選擇“R1.R；R2.R”這樣就會顯示出優化的直流電阻的數值，如下圖所示。 可變電容VC特性曲線測試n新建一個電路原理圖窗口n如上面的做法一個，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。變容管的型號是“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，修改里面的項目，定義一個名為：“Vbias”的變量，設置Vbias5V作為Vbias的初始值。n修改電源的屬性，使VdcVbias。n修改S參數的屬性，設置單點掃描頻率點1.8GHz，并計算“Z參數”。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”進行電路仿真。n在“Date Displa

9、y”按Eqn，并在對話框里編輯公式為： n在Eqn中選擇C_Varactor ，得到VC曲線和表格如下：VC特性曲線瞬態仿真電路圖n利用Transient Simulation 仿真器仿真從0 到30nsec 的瞬時波形， 如下圖所示：n注意：記得一定要添加“Vout”這個節點名稱 n按“F7”開始仿真。n在出來的“Data Display”窗口里面，輸出“Vout”的瞬時波形，按 ，并“new”一個新的n“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值。 n結果如下圖所示：n按Eqn編輯公式：n這表示要對“V

10、out”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。 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 結果分析n從波形可以看到，振蕩器已經很穩定地振蕩起來了，并且有一定的振蕩時間，從抽出兩點m3，m4的數據可以看出，該振蕩波形是相當穩定的，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標記的數值可以看出，該振蕩器的振蕩頻率為1.850GHz，與設計的指標1.8GHz有差距，需要進行調整。 調

11、整優化的結果n由于VCO的振蕩頻率由變容二極管所在的諧振網絡的諧振頻率決定，經計算得到當變容二極管的電容為8.25pF時，諧振頻率為1.8GHz，此時由前面得到的VC曲線可以看到對應的二極管直流偏置電壓為3.75V。n設置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，符合設計要求。 n 設置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，如下圖設置好HB仿真器，選擇計算非線性噪音和調頻噪音。n 設置HB仿真器諧波平衡仿真電路圖n在振蕩器里面加入一個Oscport器件配合使用，接在反饋網絡和諧振網絡之間，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：相位噪音仿真結果n其中，anmx是調幅噪音，單位是dBc/Hz；pnmx是相位噪音，單位是dBc/Hz 。 相位噪音的具體數值 VCO振蕩頻率線性度分析 n把控制變容管電壓的電源屬性修改一下，“Vdc”設置為變量“Vtune”，增加一個VAR變量“Vtune” n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“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Rectangular Plot，彈出對話框后點Advanced鍵，輸入*.freq1，點擊OK后生成圖形如右圖所示（*指的是圖形文件名，默認與原理圖名稱一致），從圖中可以看到壓控的線性度還是可以的，當Vtune3.75V時，振蕩器的輸出頻率為1.796GHz。 輸出電壓與頻率之間的關系功率頻率曲線 輸出功率與頻率之間的關系ADS使用小結n以上詳細介紹了用ADS設計微波振蕩器的過程，在設計過程中的一個最大的體會是ADS軟件本身功能強大，但是學習入門比較困難，而且用ADS設計振蕩器的資料很少，

14、實際設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。 VCO設計小結n設計過程中要考慮的首要問題就是管子的選取，設計前必須根據自己的指標確定管子的參數，從后來的設計來看，管子選得不好是很難達到預定目標的。 n設計振蕩器最重要的是使振蕩頻率滿足預定的指標，而在這次的壓控振蕩器設計中與振蕩器頻率直接相關的有兩個參數，一個是變容二極管的偏置電壓，由變容二極管的VC曲線決定；另一個是振蕩器的反饋電感。在設計過程中經過多次調整這兩個參數才能使振蕩頻率達到1.8GHz。 n噪聲分析也是振蕩器設計的一個重要的方面。