用ADS设计VCO

ADS软件的使用：
· 本章内容是介绍使用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。

下面开始按顺序详细介绍ADS软件的使用方法。
· 设计振荡器这种有源器件，第一步要做的就是管子的选取，设计前必须根据自己的指标确定管子的参数 ，选好三极管和变容二极管；第二步是根据三极管的最佳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，先由指标（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；第四步是进行谐波仿真，分析相位噪音，生成压控曲线，观察设计的振荡器的压控线性度。
· 设计指标：设计一个压控振荡器，振荡频率在1.8GHz左右。
· 第一步根据振荡频率确定选用的三极管，因为是压控振荡器，所以还需要一个变容二极管；第二步需要用到ADS的直流仿真；第三步通过S参数仿真确定变容二极管的VC曲线；第四步用HB模块来进行谐波仿真，计算相位噪音。

管子的选取：
· 设计的振荡器采用HP 公司生产的AT41411 硅双极管[12]，变容二极管选MV1404。
· AT41411的主要指标有：
· 低噪音特性：1GHz噪音系数是1.4dB，2GHz噪音系数是1.8dB；
· 高增益：1GHz时增益为18dB，2GHz时增益为13dB；
· 截止频率：7GHz，有足够宽的频带；
· 1.8GHz时最佳噪音特性：Vce＝8V，Ic＝10mA；

振荡器采用的初始电路：
· 振荡器采用的初始电路如下图所示，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:
· 在电路原理图窗口中点击，打开Component library
· 按“ctrl+F1”打开搜索对话窗口
· 搜索器件“ph_hp_AT41411”这就是我们在该项目中用到的Agilent公司的晶体管
· 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。
· 选中晶体管，按可以旋转晶体管，把晶体管安放到一个合适的位置。
· 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“Sources－Time Domain”里面选择V_DC，在lumped components里面选择R。
· 在optim/stat/Yield/DOE类里面选择GOAL，这里需要两个，还有一个OPTIM。
· 在Simulation－DC里面选择一个DC。
· 上面的器件和仿真器都按照下图放好，并连好线。
· 按NAME钮出现对话框后，可以输入你需要的名字并在你需要的电路图上面点一下，就会自动给电路节点定义名字，如下图中的“Vcb”，“Veb”节点。

· 采用双电源供电的方法，设置两个GOAL 来进行两个偏置电阻的优化，考虑到振荡器中三极管的工作状态最好是远离饱和区，还要满足三极管1.8GHz时的最佳噪音特性，所以直流偏置优化的目标是 lc=10mA，Vcb＝5.3V，如右图所示。
· 设置接在“C极”上的电阻为600，优化范围为100－1000，把电源改为“12V” 。
· 同理，设置接在“E极”上的电阻为400，优化范围为100－1000，把电源改为“－5V” 。
· 按“F7”快捷键进行仿真。
· 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

可变电容VC特性曲线测试：
· 新建一个电路原理图窗口
· 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“Simulation－S_Param”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。
· 按VAR键并双击它，修改里面的项目，定义一个名为：“Vbias”的变量，设置Vbias＝5V作为Vbias的初始值。
· 修改电源的属性，使Vdc＝Vbias。
· 修改S参数的属性，设置单点扫描频率点1.8GHz，并计算“Z参数”。
· 修改PARAMETER SWEEP的属性，要求扫描变量“Vbias” ，选择Simulatuion1“SP1”，扫描范围为1－10，间隔为0.5。 按“F7”进行电路仿真。
· 在“Date Display”按Eqn，并在对话框里编辑公式。
· 在Eqn中选择C_Varactor ，得到VC曲线和表格。
· 利用Transient Simulation 仿真器仿真从0 到30nsec 的瞬时波形。

结果分析:
· 从波形可以看到，振荡器已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，幅度差可以不必考虑，频谱纯度也较高，对m3和m4这段时域进行fs变换，可以看到振荡器振荡频率的频谱，从m5标记的数值可以看出，该振荡器的振荡频率为 1.850GHz，与设计的指标1.8GHz有差距，需要进行调整。

调整优化的结果:
· 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定，经计算得到当变容二极管的电容为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。
· 设置Vdc＝3.8V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。

设置HB仿真器：
· 利用ADS里面的 HB simulation可以仿真振荡器的相位噪音，如下图设置好HB仿真器，选择计算非线性噪音和调频噪音。
仿真后生成的谐波频率和幅度如下：

相位噪音仿真结果：

功率－频率曲线仿真结果：

VCO设计小结：
· 设计过程中要考虑的首要问题就是管子的选取，设计前必须根据自己的指标确定管子的参数，从后来的设计来看，管子选得不好是很难达到预定目标的。
· 设计振荡器最重要的是使振荡频率满足预定的指标，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曲线决定；另一个是振荡器的反馈电感。在设计过程中经过多次调整这两个参数才能使振荡频率达到1.8GHz。