VCO 的设计

1. VCO的设计

2. （一）实验目的 • 了解压控振荡器的原理和设计方法 • 学习使用ADS软件进行VCO的设计，优化和仿真。

3. （二）实验内容 • 了解振荡器的主要技术指标 • 使用ADS软件设计一个VCO，并对其参数进行优化、仿真。 • 观察不同的参数对VCO工作的影响

4. 振荡器三个基本模块 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：决定振荡器的工作频率 因为只有与回路谐振频率一致的交变电磁场才能与电子进行有效的相互作用。 3. 能量反馈模块（从放大器角度看）

5. 振荡器的物理模型 • 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。如下图所示：

6. p f f0 振荡器输出的频谱 （三）振荡器的技术指标 • 输出功率与效率 • 输出谱线纯，纯到只有一根谱线 • 实际输出谱： • 描述这个谱的参数有： • 频率稳定度 • 调频噪声和相位噪声

7. （三）振荡器的技术指标（续） • 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。 • 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。

8. （四）ADS软件的使用 • 本节内容是介绍使用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。

9. ADS软件的启动 • 启动ADS进入如下界面

10. 创建新的工程文件 • 点击File->New Project设置工程文件名称（本例中为Oscillator）及存储路径

11. 创建新的工程文件（续） • 工程文件创建完毕后主窗口变为下图

12. 创建新的工程文件（续） • 同时原理图设计窗口打开

13. VCO的设计 • 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。

14. VCO的设计（续） • 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。

15. 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；

16. 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。

17. 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。

18. 偏置电路的设计 • 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。

19. 偏置电路的设计 • 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。

20. 偏置电路的设计 • 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Ic=10mA，Vcb＝5.3V，如右图所示。

21. 偏置电路的设计 • 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，如下图所示。

22. 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。

23. 可变电容VC特性曲线测试 • 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。

24. 可变电容VC特性曲线测试 • 按“F7”进行电路仿真。 • 在“Date Display”按Eqn，并在对话框里编辑公式为： • 在Eqn中选择C_Varactor ，得到VC曲线和表格如下：

25. VC特性曲线

26. 瞬态仿真电路图 • 利用Transient Simulation 仿真器仿真从0 到30nsec 的瞬时波形， 如下图所示：

27. 瞬态仿真 • 注意：记得一定要添加“Vout”这个节点名称 • 按“F7”开始仿真。 • 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 • “Marker”，在“Vout”的瞬时波形图中，点击一下，然后移动鼠标，把“marker”移动到需要的地方，就可以看到该点的具体数值。 • 结果如下图所示：

28. 瞬态仿真 • 按Eqn编辑公式： • 这表示要对“Vout”在“Marker”m3，m4之间进行一个频率变换，这样出来的“Spectrum”就是m3和m4之间的频谱。

29. 瞬态仿真 • 输出Spectrum的图形，可以看到m3和m4之间的频谱分量，加入“marker”m5就可以知道振荡器大概振荡的频率，如下图：

30. 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。

31. 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。

32. 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。

33. 谐波平衡仿真电路图 • 在振荡器里面加入一个Oscport器件配合使用，接在反馈网络和谐振网络之间，这是谐波平衡法仿真相位噪音的需要。其中“OscPort”是在类“Simulation-HB”里面。另外，考虑到该器件的频率隔离度不够高，所以可以在输出端加一个带通滤波器。如下图所示：

34. 谐波频率和幅度 • 仿真后生成的谐波频率和幅度如下：

35. 相位噪音仿真结果 • 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 。

36. 相位噪音的具体数值

37. VCO振荡频率线性度分析 • 把控制变容管电压的电源属性修改一下，“Vdc”设置为变量“Vtune”，增加一个VAR变量“Vtune” • 修改谐波平衡仿真器，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：

38. VCO振荡频率线性度分析 • 在“Date Display”里点Rectangular Plot，弹出对话框后点Advanced键，输入sweep1..freq[1]，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Vtune＝3.75V时，振荡器的输出频率为1.796GHz。

39. 功率－频率曲线

40. ADS使用小结 • 以上详细介绍了用ADS设计微波振荡器的过程，在设计过程中的一个最大的体会是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，实际设计时会遇到各种各样的问题，多看Help是最好的解决方法。帮助里面的查找功能是非常强大的，基本上在ADS上遇到的问题都可以从帮助里面找到答案，另外ADS器件库的搜索速度虽然比较慢，但还是很好用的，如果有什么器件一时找不到，建议使用器件库来搜索。

41. 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。

42. 噪声分析也是振荡器设计的一个重要的方面。设计过程中必须明确要计算哪些噪声，并合理设置好噪声频率间隔。噪声分析也是振荡器设计的一个重要的方面。设计过程中必须明确要计算哪些噪声，并合理设置好噪声频率间隔。 • 在电路中加入滤波器是为了增加频率的隔离度，但是此滤波器对于后来生成的压控曲线影响很大。不去掉滤波器而直接仿真得到的曲线并不是线性的，原因是滤波器的通带比压控的频率范围小，而去掉滤波器后生成的压控曲线的线性度很好，符合VCO的设计要求。

43. 思考题 • 改变振荡器直流偏置的条件，分析不同的直流偏置电阻对振荡器工作的影响。 • VCO的频率稳定度和频谱纯度由哪几个因素决定？如何在ADS中进行测量？