ADS学习_基于CMOS工艺5.2GHz_LNA的设计实例Word文件下载.docx
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用来输入变量,器件的参数可以用已定义的变量来表示,当有两个或以上的元件参数一样时,例如,差分结构的电路,用这种方法很方便.
1.3初步完成原理图的输入后,整理你的原理图使之与上面的图相似:
按F5再选择器件,可以将器件的说明移开,使之不与器件重叠.
1.4保存整理后的原理图.保存后的原理图在标题栏上应没有*.
2.直流仿真
下面,我们对这个LNA进行仿真,要进行的仿真有DC仿真,S参数仿真,谐波平衡（HarmonicBalance）仿真,相应的,我们可以得到电路的直流工作点,S11,S12,S21,S22参数和1dB压缩点,IIP3和等噪声系数圆以及等增益圆.首先我们进行DC仿真.
2.1在左侧的ComponentPaletteList中选择Simulation-DC选择Simulation
Controller,将其添加到原理图中.
2.2仿真设置:
选择菜单Simulate>
SimulationSetup将弹出如下对话框:
Dataset下面填的是仿真产生的一组数据的文件名,DataDisplay下面填的是产生的显示文件的文件名.如上所述,这两个文件分别存放在当前project文件夹下的data子文件夹和当前
project文件夹下.
2.3按Simulate或者F7键进行仿真,此时会弹出仿真状态窗口,如果仿真没有错误（error）,将弹出DataDisplay窗口.对于DC仿真,可以关掉DataDisplay窗口和仿真状态窗口.选择菜单Simulate>
AnnotateDCSolution.此时,各个节点的电压和电流将会标注在原理图上,我们可以看到,电路的偏置电压是852mV.选择菜单Simulate>
ClearDCAnnotation可以清除这些电压和电流.
3.S参数仿真
在Noise选项卡中将CalculateNoise选中,按向右的箭头在Display选项卡中可以添加要显示的项目
3.1在你的电路图上删除DCSimulationController或者按使它无效.加入S_ParamSimulationController,按下图进行设置.
设置完成状态:
3.2保存原理图,进行仿真设置:
3.3仿真结束后将弹出数据显示窗口,选择要显示的数据.
在加入S11,S21,S22这种复数数据时,需要选择显示类型,选择dB值.确定后将显示如下数据,加入maker（Maker>
New）,可以读出精确的值.
3.4选择SmithChart显示S11和S22,这样看匹配情况更加直观:
可以看到,电路的噪声系数是1.218dB,nf
（2）是指第二个端口即输出端的噪声系数.电路输入输出匹配都不好,下面我们将对电路进行优化,改进其性能.
3.5保存显示文件.点 （Tune）图标,将进入调谐模式:
这时我们需要选择要调谐的电路参数（注意,是元件参数而不是元件本身）.按住Ctrl可以选择多个要调谐的参数,如下:
3.6选完后将出现参数调谐窗口:
按Details,这样我们可以对参数的范围和步长进行选择.
调节Display窗口,调整它的大小,这样你可以在参数调谐时清楚地看到调整后的结果.
反复耐心的进行参数调节,可以得到很好的匹配.以下是一组参考值:
可以看到,此时的S11,S22都低于-30dB,达到了较好的匹配,电路增益也提高了.按update键,这样可以将原理图中的数据用调谐得到的数据代替.
说明:
其实,电路中的C1,C2,C4,C5都是pad电容,实际上很难控制,实际流片时也无法达到如此高的精度.我们在实际设计中可以调整的有源极电感和输出电容的值.
4.LNA的参数优化
参数优化可以达到匹配和优化噪声等目的.
4.1将原理图另存为LNA_Opt.dsn,将元件参数改回初始值:
4.2在左侧的ComponentPaletteList中选择Optim/Stat/Yield/DOE,在原理图中加入优化控件和目标.
选yes时你可以将优化值更新到原理图中
4.3双击它们可以打开对话框
上图是优化S11的目标（小于-29dB）,SP1是S_ParamSimulationController的名字.如果你做其他的仿真,例如DC仿真,将它换成DCSimulationController的名字.
再加入其他的仿真目标,如S21,S22,nf
（2）等等,为了节省仿真时间,我们只选择S11和S22
来优化,目标是小于-29dB.
左侧的OptimSimulationController只须将Maxlter改成1000次.
4.4选择为达到目标需要进行优化的元件的参数,有如下两种方法:
4.4.1在元件参数后加opt{}函数,{}内是参数值的范围.如:
4.4.2双击元件或者变量,按Optim/Statistics/DOESetup按钮,选择OptimizationStatus为Enabled,再选择参数的值和范围,如下:
我们一共选择四个参数进行优化,我们范围的选择参考了上面优化的结果,实际设计中需适当增大优化的范围.
4.5保存原理图,进行仿真设置并仿真,仿真状态栏中出现EF（ErrorFunction）=0表示达到
了优化的目标,下面则是相应的优化参数.
仿真结果如上图,可以看到,S11和S22分别有两条曲线,分别是第一次优化的曲线和达到目
标时的曲线.
在OptimSimulationController中选择Savedataforiteration（s）:
Last,可以直保存最后达到目标时候的曲线.
因为我们选择的是随机的优化类型,而且有1000次的限制,所以,我们优化得到的参数和
调谐得到的是有区别的.
4.6在菜单中选择Simulate>
UpdateOptimizationValues,将优化的数据更新到原理图中.保存数据显示图,将原理图另存为LNA_GaNs.dsn,下面我们要进行新的仿真.
5.LNA的等增益圆与等噪声系数圆
5.1在Simulation-S_Param中选择GaCir和NsCir,你需要用到滚动条来选择.
双击它们,可以看到GaCircle（）和NsCircle（）这两个函数的功能.
5.2进行SimulationSetup:
5.3仿真,在新打开的窗口中添加等增益（资用功率增益,AvailableGain）圆和等噪声圆的
图.
你会发现,得到的圆非常多.
5.4将S_ParamSimulationController中的频率范围缩小在我们关心的频率上:
5.5再次仿真,这样我们只得到两个需要的圆了（左图）:
5.6我们也可以如下设置来得到一组等增益圆和等噪声系数圆.仿真结果如上面右图.
一般来说,最小噪声系数和最大增益所需要的Γs是不同的,噪声系数越小,我们得到的最小噪声系数等噪声系数圆越小.增益越大,得到的等增益圆越大.根据设计要求在增益和噪声之间进行折衷,可以得到相应的反射系数.
5.7保存原理图和数据显示图,打开LNA_GaNs.dns,并将它另存为LNA_NL.dsn,这样,我
们将使用第一次的器件参数,进行下一项仿真.
6.LNA的谐波仿真
6.1修改原理图如下:
信号源在Source-FreqDomain中,变量RF_pwr是输入功率.注意dbm（）函数的用法.
6.2确认已将输出节点定义为vout,这样dbm（vout）将会把输出电压转换为功率（50Ω系统中）.
最高谐波次数
6.3在原理图中加入HarmonicBalanceSimulationController（Simulation-HB）,并进行设置.
6.4仿真,在弹出的数据显示窗口中,加入vout的频谱图:
显示如下:
频谱图
6.5使用按钮可以看到幅度较小的谱线,如右图.
6.6你也可以看时域输入输出图:
6.7使用List来看输出的幅度
可以看到,5.2GHz,10.4GHz,15.6GHz分别有1,2,3次谐波存在,如果我们选择MaxOrder=5我们将看到更多的谐波分量.
7.LNA的1dB压缩点仿真
7.1使用GainCompression进行仿真
7.1.1在原理图中加入XDBSimulationController,并进行设置.
7.1.2进行1dB压缩点仿真,在数据显示窗口中加入输入功率输出功率的数据:
7.1.3在outpwr后加上[1]（TraceOptions>
TraceExpression）,这样可以得到单一的数
据.
从表格中我们可以读出1dB压缩点为-11.103dBm.
7.2使用其他方法测试电路的1dB压缩点.
7.2.1将XDBSimulationController删除.设置HBSimulationController如下:
7.2.2仿真,在弹出的数据显示窗口中,使用加入一个公式,注意,dbm_out和
RF_pwr都必须从右边选择.
7.2.3作出gain与扫描变量RF_pwr的关系图:
注意:
DatasetsandEquations下拉菜单中应选择Equations,因为,gain是我们在数据显示窗口中输入的一个公式,不同于原理图中的MeasurementEquation:
dbm_out,gain是一个根据仿真数据算出来的值,而dbm_out是一个仿真数据.gain曲线如图.
在曲线上夹入maker,m1和m2,从图中可以清楚地看到,随着输入功率的增加,LNA产生了增益压缩现象,1dB压缩点为-11.1dBm,与前面的结果完全一致.
7.2.4保存数据显示文件,再添加dbm_out即输出功率随RF_pwr变化的曲线:
同样的,我们可以看到,输出功率随输入功率的变化增加量为非线性.下面我们在这张图中添加一条参考直线.加入公式:
再将它添加到上图中:
选Equations而不是
LNA_1dB
添加后的图如下所示,在两条曲线中加入Marker,读出他们相差1dB时的RF_pwr值,既是1dB压缩点.
7.2.5保存数据显示图,将原理图另存为LNA_TOI.dsn,下面我们将进行新的仿真.
8.LNA的谐波仿真
8.1首先将电路中的源换成双频的,你需要定义新的变量:
RF_freq,spacing.
8.2设置HBSimulationController,注意,此时是没有扫描变量的.
如果你的原理图中还有XDBSimulationController,将它删除,我们不再需要了.
8.3进行仿真设置,仿真,在数据显示窗口中添加vout的频谱图.
图中,许多谱线看起来是重叠的.
8.4使用按钮提取我们关心的频段的数据,也可以双击dbm（vout）图,选择PlotOptions,设置X轴的频率范围.
这样,我们可以清楚的看到每一根谱线,也可以加入Marker来读出它们的数值.
8.5使用公式和Mix（）函数来读出显示谐波分量.首先,在数据显示窗口编辑公式:
8.6加入dBm（vout）图,弹出对话框时选择TraceOptions,设置输出变量的形式.
注意,在Trace Type中应该选择Spectral. 这样,我们就可以得到
5.185G,5.195G,5.205G,5.215G四根谱线.
数据与前一种方法得到的是完全一样的.
8.7加入List,显示Mix的数值,我们可以看到谐波频率与输入频率间的关系.
9.LNA的三阶互调（TOI）仿真
9.1LO_pwr不变
9.1.1在原理图中加入两个IP3OutMeasurementEquation（Simulation-HB中）,并进行设置.
9.1.2仿真,加入List显示upper_toi和lower_toi.注意,在PlotOptions中,应取消选择DisplayIndep.Data.
我们也可以用公式和函数的办法来达到同样的目的.
9.1.3加入公式
9.1.4显示my_toi如下,由于表达式实际上是相同的,所以my_toi与上一个List中的
upper_toi数值相同.
9.2扫描RF_pwr
9.2.1设置HBSimulationController.
9.2.2仿真.双击Listmy_toi,将RF_freq加入显示项目.
表格中的其他数据可以用 这组按钮来观察.
9.2.3在同一张图中加入my_toi和dbm（mix（vout,{1,0}））,在加入后一项时,你需要用到
Advanced按钮.如图:
曲线如下图.
9.2.4双击my_toi曲线,在PlotAxes中,将它的Y轴改为RightYAxis.
不懂：
由图可见,当RF_pwr在-2.5dB时,延长一次互调量mix（vout,{1,0}）与三次互调量
mix（vout,{2,-1}）曲线斜率为1:
3的部分（近似为一条直线）,交点处的输入功率即为输入三阶互调点.
注意,在测试三阶互调点时,输入功率要比较小,以保证电路工作在线性区,通常设置输入
功率比1dB压缩点低10dB.
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