用ADS設計VCO

ADS軟件的使用：
· 本章內容是介紹使用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。

下面開始按順序詳細介紹ADS軟件的使用方法。
· 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，觀察設計的振蕩器的壓控線性度。
· 設計指標：設計一個壓控振蕩器，振蕩頻率在1.8GHz左右。
· 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：
· 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。
· AT41411的主要指標有：
· 低噪音特性：1GHz噪音系數是1.4dB，2GHz噪音系數是1.8dB；
· 高增益：1GHz時增益為18dB，2GHz時增益為13dB；
· 截止頻率：7GHz，有足夠寬的頻帶；
· 1.8GHz時最佳噪音特性：Vce＝8V，Ic＝10mA；

振蕩器采用的初始電路：
· 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:
· 在電路原理圖窗口中點擊，打開Component library
· 按“ctrl+F1”打開搜索對話窗口
· 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
· 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。
· 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。
· 選擇probe components 類，然后在這個類里面選擇L_Probe并放在適當的位置，同理可以在“Sources－Time Domain”里面選擇V_DC，在lumped components里面選擇R。
· 在optim/stat/Yield/DOE類里面選擇GOAL，這里需要兩個，還有一個OPTIM。
· 在Simulation－DC里面選擇一個DC。
· 上面的器件和仿真器都按照下圖放好，并連好線。
· 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。

· 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，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 lc=10mA，Vcb＝5.3V，如右圖所示。
· 設置接在“C極”上的電阻為600，優化范圍為100－1000，把電源改為“12V” 。
· 同理，設置接在“E極”上的電阻為400，優化范圍為100－1000，把電源改為“－5V” 。
· 按“F7”快捷鍵進行仿真。
· 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

可變電容VC特性曲線測試：
· 新建一個電路原理圖窗口
· 如上面的做法一個，建立如右圖所示的電路圖，其中“Term”、“S-PARAMETE”、“PARAMETER SWEEP”都可以在“Simulation－S_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。
· 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Vbias＝5V作為Vbias的初始值。
· 修改電源的屬性，使Vdc＝Vbias。
· 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”。
· 修改PARAMETER SWEEP的屬性，要求掃描變量“Vbias” ，選擇Simulatuion1“SP1”，掃描范圍為1－10，間隔為0.5。 按“F7”進行電路仿真。
· 在“Date Display”按Eqn，并在對話框里編輯公式。
· 在Eqn中選擇C_Varactor ，得到VC曲線和表格。
· 利用Transient Simulation 仿真器仿真從0 到30nsec 的瞬時波形。

結果分析:
· 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。

調整優化的結果:
· 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3.8V。
· 設置Vdc＝3.8V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。

設置HB仿真器：
· 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。
仿真后生成的諧波頻率和幅度如下：

相位噪音仿真結果：

功率－頻率曲線仿真結果：

VCO設計小結：
· 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。
· 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。