射频仿真软件：ADS (Advanced Design System)_（10）.振荡器设计

振荡器设计

在射频仿真软件领域，振荡器设计是一个非常重要的模块。振荡器是射频系统中的关键组件，用于生成稳定的频率信号。在ADS (Advanced Design System) 中，振荡器的设计可以通过多种方法实现，包括解析方法、数值方法和仿真方法。本节将详细介绍振荡器设计的基本原理和具体操作步骤，并通过具体的代码示例来展示如何在ADS中进行振荡器的设计和仿真。

振荡器的基本原理

振荡器是一种能够产生连续周期性信号的电路。其工作原理基于正反馈机制，当正反馈信号的增益大于1且相位差为0或360度的整数倍时，电路将进入自激振荡状态。振荡器的设计需要考虑以下几个方面：

1. 振荡条件：增益条件和相位条件。

2. 频率稳定性：温度、电源电压和负载变化对频率的影响。

3. 输出波形：正弦波、方波等。

4. 功耗：振荡器的功耗需要在合理范围内。

5. 启动时间：振荡器从启动到稳定输出的时间。

振荡条件

振荡器的振荡条件可以总结为两个基本条件：

• 增益条件：环路增益必须大于1。

• 相位条件：环路总相位差必须为0或360度的整数倍。

这两个条件可以通过以下公式描述：

$$\left|T(j\omega )\right|>1$$

$$\angle T(j\omega )=2n\pi ,n=0,1,2,\dots$$

其中，$T(j\omega )$ 是环路传输函数，$\omega$ 是角频率，$\angle T(j\omega )$ 是环路传输函数的相位。

振荡器设计的步骤

在ADS中进行振荡器设计通常包括以下几个步骤：

1. 选择振荡器类型：根据应用需求选择合适的振荡器类型，如RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器等。

2. 建立电路模型：在ADS中建立振荡器电路模型。

3. 设置仿真参数：设置仿真的频率范围、时间步长等参数。

4. 仿真分析：进行时域和频域仿真，分析振荡器的性能。

5. 优化设计：根据仿真结果调整电路参数，优化振荡器的性能。

选择振荡器类型

在选择振荡器类型时，需要考虑以下因素：

• 频率范围：不同类型的振荡器适用于不同的频率范围。

• 频率稳定性：对于需要高稳定性的应用，选择晶体振荡器或温补晶体振荡器。

• 输出波形：根据需要选择正弦波或方波输出。

• 功耗：需要考虑振荡器的功耗，特别是在便携式设备中。

建立电路模型

在ADS中建立振荡器电路模型时，可以使用原理图编辑器。以下是一个简单的LC振荡器电路模型的建立步骤：

1. 打开ADS，新建一个项目。

2. 选择原理图编辑器，新建一个原理图。

3. 从元件库中选择必要的元件，如电感、电容、晶体管等。

4. 连接元件，形成振荡器电路。

设置仿真参数

设置仿真参数是仿真分析的重要步骤。以下是一个例子，展示了如何设置时域仿真参数：

// 设置时域仿真参数

OPTIONS(

    TSTOP = 100us,  // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns,    // 设置时间步长

    TNOPRINT = 1ns  // 设置不打印的时间步长

);

仿真分析

在ADS中，可以进行时域和频域仿真来分析振荡器的性能。以下是一个具体的例子，展示了如何进行时域仿真：

// 时域仿真设置

SAVE(

    V(1)  // 保存节点1的电压波形

    I(2)  // 保存节点2的电流波形

);



// 运行时域仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2)   // 绘制节点2的电流波形

);

优化设计

根据仿真结果，可以对振荡器的参数进行优化。以下是一个例子，展示了如何调整电感和电容的值以优化振荡频率：

// 调整电感和电容的值

L1 = 100nH;  // 电感值

C1 = 10pF;   // 电容值



// 重新运行仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制优化后的仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2)   // 绘制节点2的电流波形

);

具体设计案例

LC振荡器设计

电路模型

以下是一个简单的LC振荡器电路模型：

// LC振荡器电路模型

SUBCKT LC_OSC

  IN 1 0

  L1 1 2 100nH

  C1 2 0 10pF

  Q1 1 2 0 NMOS

  V1 0 1 5V

END

仿真设置

设置时域和频域仿真参数：

// 设置时域仿真参数

OPTIONS(

    TSTOP = 100us,  // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns,    // 设置时间步长

    TNOPRINT = 1ns  // 设置不打印的时间步长

);



// 设置频域仿真参数

OPTIONS(

    FSTART = 100kHz,  // 设置频域仿真起始频率

    FSTOP = 100MHz,   // 设置频域仿真结束频率

    NFREQ = 1000      // 设置频域仿真步长

);

仿真分析

进行时域和频域仿真分析：

// 时域仿真设置

SAVE(

    V(1)  // 保存节点1的电压波形

    I(2)  // 保存节点2的电流波形

);



// 运行时域仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制时域仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2)   // 绘制节点2的电流波形

);



// 频域仿真设置

SAVE(

    S(1,1)  // 保存S参数

);



// 运行频域仿真

RUN(

    TYPE = "AC",  // 选择频域仿真类型

    FSTART = 100kHz,  // 设置频域仿真起始频率

    FSTOP = 100MHz,   // 设置频域仿真结束频率

    NFREQ = 1000      // 设置频域仿真步长

);



// 绘制频域仿真结果

PLOT(

    S(1,1)  // 绘制S参数

);

例2：晶体振荡器设计

电路模型

以下是一个简单的晶体振荡器电路模型：

// 晶体振荡器电路模型

SUBCKT XTAL_OSC

  IN 1 0

  XTAL 1 2 10MHz

  C1 2 0 10pF

  C2 1 0 10pF

  Q1 1 2 0 NMOS

  V1 0 1 5V

END

仿真设置

设置时域和频域仿真参数：

// 设置时域仿真参数

OPTIONS(

    TSTOP = 100us,  // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns,    // 设置时间步长

    TNOPRINT = 1ns  // 设置不打印的时间步长

);



// 设置频域仿真参数

OPTIONS(

    FSTART = 100kHz,  // 设置频域仿真起始频率

    FSTOP = 100MHz,   // 设置频域仿真结束频率

    NFREQ = 1000      // 设置频域仿真步长

);

仿真分析

进行时域和频域仿真分析：

// 时域仿真设置

SAVE(

    V(1)  // 保存节点1的电压波形

    I(2)  // 保存节点2的电流波形

);



// 运行时域仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制时域仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2)   // 绘制节点2的电流波形

);



// 频域仿真设置

SAVE(

    S(1,1)  // 保存S参数

);



// 运行频域仿真

RUN(

    TYPE = "AC",  // 选择频域仿真类型

    FSTART = 100kHz,  // 设置频域仿真起始频率

    FSTOP = 100MHz,   // 设置频域仿真结束频率

    NFREQ = 1000      // 设置频域仿真步长

);



// 绘制频域仿真结果

PLOT(

    S(1,1)  // 绘制S参数

);

优化设计

根据仿真结果，可以对晶体振荡器的参数进行优化。以下是一个例子，展示了如何调整电容的值以优化振荡频率：

// 调整电容的值

C1 = 15pF;  // 电容值

C2 = 15pF;  // 电容值



// 重新运行时域仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制优化后的时域仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2)   // 绘制节点2的电流波形

);



// 重新运行频域仿真

RUN(

    TYPE = "AC",  // 选择频域仿真类型

    FSTART = 100kHz,  // 设置频域仿真起始频率

    FSTOP = 100MHz,   // 设置频域仿真结束频率

    NFREQ = 1000      // 设置频域仿真步长

);



// 绘制优化后的频域仿真结果

PLOT(

    S(1,1)  // 绘制S参数

);

进阶技术

非线性仿真

非线性仿真可以更准确地分析振荡器的性能，特别是对于包含非线性元件的电路。以下是一个例子，展示了如何进行非线性仿真：

// 设置非线性仿真参数

OPTIONS(

    TSTOP = 100us,  // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns,    // 设置时间步长

    TNOPRINT = 1ns, // 设置不打印的时间步长

    NLTRAN = 1      // 启用非线性仿真

);



// 时域仿真设置

SAVE(

    V(1)  // 保存节点1的电压波形

    I(2)  // 保存节点2的电流波形

);



// 运行非线性仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制非线性仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2)   // 绘制节点2的电流波形

);

噪声分析

噪声分析可以帮助评估振荡器的噪声性能。以下是一个例子，展示了如何进行噪声分析：

// 设置噪声仿真参数

OPTIONS(

    TSTOP = 100us,  // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns,    // 设置时间步长

    TNOPRINT = 1ns, // 设置不打印的时间步长

    NLTRAN = 1,     // 启用非线性仿真

    NOISE = 1       // 启用噪声分析

);



// 保存噪声分析结果

SAVE(

    V(1)  // 保存节点1的电压波形

    I(2)  // 保存节点2的电流波形

    NOISE(1,1)  // 保存噪声分析结果

);



// 运行噪声仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制噪声仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2),  // 绘制节点2的电流波形

    NOISE(1,1)  // 绘制噪声分析结果

);

温度分析

温度分析可以帮助评估温度变化对振荡器性能的影响。以下是一个例子，展示了如何进行温度分析：

// 设置温度仿真参数

OPTIONS(

    TSTOP = 100us,  // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns,    // 设置时间步长

    TNOPRINT = 1ns, // 设置不打印的时间步长

    NLTRAN = 1,     // 启用非线性仿真

    TEMP = 25C      // 设置仿真温度

);



// 保存温度分析结果

SAVE(

    V(1)  // 保存节点1的电压波形

    I(2)  // 保存节点2的电流波形

);



// 运行温度仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制温度仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2)   // 绘制节点2的电流波形

);

设计实例

例1：LC振荡器设计

电路模型

// LC振荡器电路模型

SUBCKT LC_OSC

  IN 1 0

  L1 1 2 100nH

  C1 2 0 10pF

  Q1 1 2 0 NMOS

  V1 0 1 5V

END

仿真设置

// 设置时域仿真参数

OPTIONS(

    TSTOP = 100us,  // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns,    // 设置时间步长

    TNOPRINT = 1ns  // 设置不打印的时间步长

);



// 设置频域仿真参数

OPTIONS(

    FSTART = 100kHz,  // 设置频域仿真起始频率

    FSTOP = 100MHz,   // 设置频域仿真结束频率

    NFREQ = 1000      // 设置频域仿真步长

);

仿真分析

// 时域仿真设置

SAVE(

    V(1)  // 保存节点1的电压波形

    I(2)  // 保存节点2的电流波形

);



// 运行时域仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制时域仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2)   // 绘制节点2的电流波形

);



// 频域仿真设置

SAVE(

    S(1,1)  // 保存S参数

);



// 运行频域仿真

RUN(

    TYPE = "AC",  // 选择频域仿真类型

    FSTART = 100kHz,  // 设置频域仿真起始频率

    FSTOP = 100MHz,   // 设置频域仿真结束频率

    NFREQ = 1000      // 设置频域仿真步长

);



// 绘制频域仿真结果

PLOT(

    S(1,1)  // 绘制S参数

);

例2：晶体振荡器设计

电路模型

// 晶体振荡器电路模型

SUBCKT XTAL_OSC

  IN 1 0

  XTAL 1 2 10MHz

  C1 2 0 10pF

  C2 1 0 10pF

  Q1 1 2 0 NMOS

  V1 0 1 5V

END

仿真设置

// 设置时域仿真参数

OPTIONS(

    TSTOP = 100us,  // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns,    // 设置时间步长

    TNOPRINT = 1ns  // 设置不打印的时间步长

);



// 设置频域仿真参数

OPTIONS(

    FSTART = 100kHz,  // 设置频域仿真起始频率

    FSTOP = 100MHz,   // 设置频域仿真结束频率

    NFREQ = 1000      // 设置频域仿真步长

);

仿真分析

// 时域仿真设置

SAVE(

    V(1)  // 保存节点1的电压波形

    I(2)  // 保存节点2的电流波形

);



// 运行时域仿真

RUN(

    TYPE = "TRAN",  // 选择时域仿真类型

    TSTOP = 100us, // 设置仿真结束时间

    TSTEP = 1ns     // 设置时间步长

);



// 绘制时域仿真结果

PLOT(

    V(1),  // 绘制节点1的电压波形

    I(2)   // 绘制节点2的电流波形

);



// 频域仿真设置

SAVE(

    S(1,1)  // 保存S参数

);



// 运行频域仿真

RUN(

    TYPE = "AC",  // 选择频域仿真类型

    FSTART = 100kHz,  // 设置频域仿真起始频率

    FSTOP = 100MHz,   // 设置频域仿真结束频率

    NFREQ = 1000      // 设置频域仿真步长

);



// 绘制频域仿真结果

PLOT(

    S(1,1)  // 绘制S参数

);

总结

通过上述步骤，可以在ADS中设计和仿真不同类型的振荡器。从选择振荡器类型、建立电路模型、设置仿真参数到仿真分析和优化设计，每一步都至关重要。非线性仿真、噪声分析和温度分析等进阶技术可以进一步提高设计的准确性和可靠性。希望这些内容对您的射频系统设计有所帮助。