ADS仿真 之 交流仿真和S参数仿真示例

本文介绍采用ADS2009仿真软件进行直流仿真，其用于测试设计电路的交流工作特性和S参数仿真。
一、交流仿真
交流仿真可用于分析电路的小信号特性，也可分析电路的噪声特性，在进行小信号交流仿真时，系统都需要对电路进行直流仿真，找到非线性器件的直流工作点。通过对电路的小信号分析，可以得到电路的如电压/电流增益、跨阻等一系列参数。

图表 1 AC仿真原理图

图表 2 仿真结果
二、S 参数仿真
在进行射频或者微波电路设计时，节点电路理论已不再适用，需采用分布参数电路的分析方法，而微波网络分析方法是目前较为流行做法，对于微波网络而言，S参数是表征微波网络传输特性的一个非常重要参数。
2.1 S 参数仿真的一般流程
1、 选择器件模型并建立原理图；
2、 确定S参数仿真的IO端口，并添加终端负载控件Term分别连接在电路的IO端口；
3、 添加S参数仿真控件，并设置S参数仿真参数；
4、 若需要扫描变量较多，需添加parameter sweep控件，同时也可以根据需要添加其他控件用于计算；
5、 若需要计算噪声或者是群时延，需要在noise选项卡中勾选calculate noise和parameters选项卡中勾选group delay；
6、 运行仿真；
7、 在数据窗口中查看仿真结果。
这里以一个简单的低通滤波器来介绍一般的S参数仿真，低通滤波器为3阶Chebyshev型滤波器，带内纹波为0.5dB，截至频率为3.0GHz，设计后的原理图如下：

图表3 chebyshev低通滤波器仿真原理图
根据上面的原理图，在ADS中建立相应的仿真原理图：
1、 电容和电感元器件可以采用集总参数元件，在Lumped-components面板中选择电感和电容添加至原理图中；
2、 在Simulation-S para面板内添加S仿真控件，并设置相应的频率扫描范围、扫描类型等参数；
3、 添加两个Term终端，连接在输入端口和输出端口；阻抗可默认采用50 Ohm；
4、 也可以省略2-3步骤，采用菜单insert->Template->S params来插入S参数仿真模板；
5、 按照上图连接原理图并仿真；
6、 在数据显示窗口中查看仿真结果。
上述的低通滤波器的仿真结果如下：

图表4 仿真结果
2.2 调谐
对于一个初步完成的设计，可能仿真的结果离预期存在一定差异，往往需要通过对电路做一些微小改动才满足要求，同时在很多情况下，需要知道某一个元件的变化对整个结果的影响趋势，这可以通过调谐来实现。
例如我们设计的一个5阶chebyshev低通滤波器，带内纹波为0.5dB，截至频率为3GHz，根据要
求设计的原理图如下：

图表5 5阶低通滤波器调谐原理图
与S参数仿真类似，建立好仿真原理图后，进行S参数仿真，仿真结果可以看到在电感和电容未进行调谐前截至频率在3GHz，下面通过调谐可以看到滤波器的变化趋势：
1、 在原理图中单击，或者simulate->tuning，打开tune parameter窗口；
2、 单击原理图中需要进行调谐的元件L1，弹出的对话框中勾选中L1，确定后在tune parameter窗口中就会显示L1的可调谐状态，如下图所示，同样选中所有元件，让其全部进入可调谐范围，此时tune parameter窗口显示所有元件待调整；
3、 在tune parameter窗口中单击enable/disable按钮，选中所有元件，代表使能所有元件可调谐；
4、 在tune parameter窗口中可调整元件的调谐范围、步进和调谐参数变化类型；
5、 在进行调谐前将数据显示窗口大小调整合适，并将history选择ON模式，以便观察调谐时曲线的变化趋势；
6、 移动滑块或箭头可以改变元件的值，同时也可以看到S21的变化趋势。
7、 调谐完成后可以update至原理图中。

图表6 调谐窗口

图表7 调谐S21曲线变化趋势图
从仿真结果可以看到，增大电容C1 C2 C3的值，滤波器的截至频率减小，低频通带带宽相应减小，高频衰减较原始变大。
2.3 优化
优化是ADS提供的一种计算电路参数的一种方法，优化需要设定一个目标值，同时设定ADS可供
调整的变量，通过对设定变量的扫描，计算出符合目标值的一组变量参数。优化的控件面板是Optim/Stat/Yield/DOE，面板包含了优化、统计、良品率和专有设备仿真控件。

图表8 优化控件和面板
对一个电路的优化往往需要包含优化控件、GOAL控件，GOAL控件即用来设定希望电路达到的一种目标状态。以下我们以一个5阶低通滤波器来说明优化的过程。优化的目标是在5GHz的S21值最大为-40dB，在3GHz和2.4GHz ±0.1GHz范围内的S21的最大值为-1dB。
1、 在5.2节建立的5阶低通滤波器的原理图中，将每个元件的值均用一个变量代替，如下面原理图所示，并在原理图中添加变量等式，本原理图命名的变量为c1~c3，l1、l2；
2、 双击，添加上面5个变量，并赋初值，如下图所示，并在Tune/opt/stat/DOE setup中优化选项卡里设置使能优化选项、变量变化类型和相应的变化范围；
3、 添加优化控件，控件设置一般按照默认设置即可，需要改变的一是优化方法（Optimization Type），二是优化的次数（Maxlters）。在优化方法下拉菜单中有很多优化方法，它们是基于不同的算法的。一般如果自己对变量的初值不确定时可以用Random，它是随机的，适合于大范围的搜索；如果结果与预期比较接近，那么可以改为Gradient，它会在一个小范围去改变变量值。还有一个Discrete，它的值是离散变化的，适合于诸如电容、电阻、电感等器件的实际模型。
4、 添加目标控件，按照要求设置相应的值。
5、 优化完成后通过simulate->update optimization values更新优化的值。

图表 9 设置优化变量窗口
设置后的原理图：

图表 10 优化原理图
仿真后的结果如下图：

图表 11 优化结果
2.4 容差/良率分析
之所以要进行容差分析，是因为任何电子元器件均存在一定的误差，如电感、电容的精度等。例如一个标称为2.0nH±0.1nH的电感，代表的意思产品有99.74%的概率落在2.0nH±0.1nH范围内，即满足6σ，σ是标准偏差或者说方差，当产品随机变量值与平均值之差为6σ时，产品的良品率为99.74%，这是统计学范畴。
2.4.1 容差分析
电路模块的容差分析可以通过蒙特卡洛（Monte carlo）分析进行，通过容差分析可以知道元件的误差对电路性能的影响程度，以一个带通滤波器为例说明容差分析的方法。如下是通过优化设计的一个带通滤波器，要求在2.4GHz-2.5GHz通带内插损小于2dB，在3.2GHz处最小的衰减值为20dB，在1.6GHz处的衰减值最小为15dB，设计原理图如下：

图表 12 3阶带通滤波器原理图
在未添加蒙特卡洛仿真控件情况下其结果如下

图表 13 3阶带通滤波器仿真结果
容差分析可以对几个或者一个元件进行，但至少需要1个存在误差的元件的变量，这里对C1和C3的变化来看对整个滤波器的影响，具体流程如下：
1、 将需要进行容差分析的元件值设置为变量，并添加变量等式VAR；
2、 在VAR中设置变量的初值，并在Tune/opt/stat/DOE setup中的statistics选项卡中使能statistics status，同时设置变量的分布类型和误差。这里设置c1和c3分别为±0.25和5%。
3、 添加MONTE CARLO控件，设置SimInstanceName和Numitem，即选择内嵌的仿真器和抽样次数，本例以设置10次。
4、 设置OK后运行仿真，查看仿真结果如下。

图表 14 容差分析结果
蓝色曲线是滤波器需要符合的模板，仿真可以看到C1和C3对滤波器的通带内的衰减平衡，某些情况下在2.5GHz的衰减值已超过2dB的插损。所以这样的滤波器参数不能很好地应对元件误差带来的影响。
2.4.2 良率分析
良率分析是用于分析设计电路通过给定标准的数量和总的数量的比率，但是对于一个电路设计来说，可能存在的设计总量是无法估计的，所以良率分析均是采用一种有限数量的试验来进行分析，当试验的次数越多，就越接近真实情况。
上面的带通滤波器优化不够完善，我们来分析一个之前设计的3阶低通滤波器的良品率，定义3阶低通滤波器的spec为0-3GHz内插损为1dB，回波损耗最小为15dB，4.8GHz-6GHz的插损最小为10dB，根据如上要求建立原理图：
1、 在原理图中添加Yield分析的控件和Yield SPEC控件，并设置相应的Yield的SimItem数量为
1000，并在parameters选项卡内勾选save data all for all trials以保持所有的试验数据。设置
Yield SPEC控件，定义良率分析的参考值。
2、 良率分析至少需要一个可变变量，这里分析三个元件对良品率带来的影响。设置原理图如下：

图表 15 良率分析原理图
仿真结果如下：

图表 16 良率分析结果
可以看到该滤波器的良品率为76.5%，改变器件C1和C2的精度，良品率为提升至81.7%。

图表 17 提高精度与良率的影响结果
在原理图中添加了senshist控件，它用来统计仿真结果中，某一个变量对良品率带来的影响程度，如在原理图中该控件的设置为sensHist1=histogram_sens(dB(S(1,1)),l1,-15,2.4GHz,2.5GHz)，代表的意思是l1这个变量，在2.4GHz-2.5GHz频率范围内，对S11值小于-15dB的影响程度，从两次仿真结果来看，当l1的值偏大的话，对S11的影响更小，所以在不改变C1和C2的精度情况下，将电感的值有2.9nH改为3.0nH时，其得到的良品率为93%，结果如下图所示，可以看到在不改版器件精度的情况下，增大L1的值对良品率有很大帮助。

图表 18 修改L1对良率影响