第三章直流仿真和建立電路模型

1、<p>　　實驗三、直流仿真和建立電路模型</p><p><b>　　概 述</b></p><p>　　本章將介紹參數(shù)的子網(wǎng)絡(luò)，在分層設(shè)計中如何創(chuàng)建和使用它們。我們將從一個元件建模開始。對于性能較好的元件模型，最低層的子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)包括封裝寄生參數(shù)。一個測試模板將用來對一個可以計算，建立并檢驗的偏置網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)進行仿真并輸出響應(yīng)曲線。該實驗中的電路是本教材中其

2、它實驗使用的放大器基礎(chǔ)。</p><p><b>　　任 務(wù)</b></p><p>　　建立一個考慮寄生參數(shù)的通用BJT模型，并保存在自電路中。</p><p>　　設(shè)置并運行大量DC仿真來確定其性能。</p><p>　　在數(shù)據(jù)顯示中計算偏置電阻。</p><p>　　在DC仿真基礎(chǔ)上建立一

3、個偏置網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>　　測試偏置網(wǎng)絡(luò)。</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　新建任務(wù)：amp_1900 …………………………………………………… 37</p><p>　　設(shè)置一個通用BJT符號和模型卡…………………………………………37<

4、;/p><p>　　對電路添加寄生參數(shù)和連接部分…………………………………………39</p><p>　　觀察缺省符號………………………………………………………………39</p><p>　　設(shè)置設(shè)計參數(shù)和內(nèi)建符號…………………………………………………40</p><p>　　用曲線指示模板測試bjt_pkg的子電路………………………………… 4

5、2</p><p>　　修改參數(shù)掃描模板…………………………………………………………43</p><p>　　在Beta=100和160時仿真…………………………………………………44</p><p>　　打開一個新設(shè)計，并在主窗口中查看你的所有文件……………………45</p><p>　　對直流偏置的參數(shù)掃描進行設(shè)置并仿真………………………

6、…………46</p><p>　　計算共射電路偏置電阻Rb, Rc的值………………………………………49</p><p>　　偏置網(wǎng)絡(luò)……………………………………………………………………50</p><p>　　對直流解作仿真和注釋……………………………………………………51</p><p>　　選學(xué)：溫度掃描…………………………………………

7、…………………52</p><p><b>　　步驟</b></p><p>　　1、新建任務(wù)：amp_1900</p><p>　　a. 如果你還沒有創(chuàng)建該任務(wù)，就請現(xiàn)在創(chuàng)建。然后在該信任務(wù)amp_1900中打開一個新的原理圖窗口并以bjt_pkg為名保存它，并在Option→preferences中進行你希望的設(shè)置。</p>

8、<p>　　2、設(shè)置一個通用BJT符號和模型卡</p><p>　　a. 在原理圖窗口中，選擇面板Devices-BJT.。選擇BJT-NPN放入原理圖中，如下所示。</p><p>　　b. 插入BJT_Model模型元件，如下所示。</p><p>　　c. 雙擊BJT-Model卡。出現(xiàn)對話框后，點擊Component Options，在下一對話框中

9、，點擊Clear All使參數(shù)可見。然后點擊Apply，該操作會刪掉原理圖中的Gummel-Poon參數(shù)表。不要關(guān)閉該對話框。</p><p>　　關(guān)于Binning的備注：你可以插入多模型組卡，用Binning元件改變模型元件的變量值。這些變量可作為例如溫度、長度、寬度等參數(shù)。Binning元件允許你創(chuàng)建一個參考模型的矩陣。</p><p>　　d. 接著，在BJT_Mode對話框中選擇

10、Bf參數(shù)，并輸入Beta如下圖所示。并在Display parameter on schematic前面打上勾。然后，點擊Apply。Beta此時成為該電路的一個參數(shù)，接下來你就可以按調(diào)整變量的方法對其進行調(diào)整。</p><p>　　e. 設(shè)置Vaf（預(yù)置電壓）=50，并顯示。</p><p>　　f. 令I(lǐng)se（E、B漏電流）=0.02e-12。并顯示。然后點擊OK關(guān)閉Bipolar T

11、ransistor Model：1對話框?，F(xiàn)在該元件就有了更多的實際參數(shù)。</p><p>　　g. 去掉BJT元件的一些不希望顯示的參數(shù)（例如，面積、區(qū)域、溫度和模式）。方法是雙擊BJT1，在打開的對話框中選中不希望顯示參數(shù)選項。然后去掉display parameter on schematic前面的勾。</p><p>　　3、為電路加入寄生參量和電路連接部分</p>

12、<p>　　下圖為考慮寄生和接頭的完整的電路圖。注意使用旋轉(zhuǎn)圖標把元件調(diào)整到合適的方向。</p><p>　　放置元件的步驟如下：</p><p>　　放置集總參數(shù)L、C元件：插入三個320pH的引線電感和兩個120fF的結(jié)電容。注意使用正確的單位（P、F），否則電路不會得到正確的相應(yīng)。（提示：如果你已經(jīng)輸入過L或C，可在元件歷史欄中直接輸入L或C。可不通過面板而直接獲得元件）&

13、lt;/p><p>　　為基極引線電感連接一個R=0.01Ω的電阻，并顯示其值（如下圖所示）。</p><p>　　放置端口接頭：點擊端口接頭圖標。然后，務(wù)必按如下順序放置接頭：1）集電極C；2）基極B；3）發(fā)射極E。只有如此，接頭才能與ADS BJT符號有相同的順序。</p><p>　　編輯端口名：如：改P1為C，P2為B，P3為E。</p><

14、p>　　整理原理圖：擺放元件使原理圖看起來有序——這是一種很好的實踐。按F5鍵，選中元件，移動鼠標，可把元件文本框移動到需要位置。</p><p><b>　　4、觀察缺省符號</b></p><p>　　有三種方法為電路創(chuàng)建符號：1）使用默認符號；2）繪制符號；3）使用ADS內(nèi)建符號。本練習中，你將使用一個內(nèi)建的BJT符號。此前，應(yīng)刪除ADS賦給電路的缺省符號

15、。其步驟如下：</p><p>　　點擊View＞Create / EditSchematicSymbol，可以找到找到默認符號。如果系統(tǒng)中沒有電路的缺省符號。點擊View＞Create / EditSchematicSymbol后出現(xiàn)下面的對話框，點OK，默認符號就會出現(xiàn)。</p><p>　　接著，產(chǎn)生一個三端矩形框。這是默認符號。如果系統(tǒng)中有電路的缺省符號。點擊View＞Create

16、 / EditSchematicSymbol后直接會出現(xiàn)下面的三端矩形框。用命令Select＞Select All，點擊刪除圖標或按Del鍵可刪除默認符號。</p><p>　　點擊View＞Create / Edit Schematic回到原理圖。</p><p>　　設(shè)置設(shè)計參數(shù)和內(nèi)建符號</p><p>　　點擊File＞Design Parameters,

17、出現(xiàn)下面的對話框。</p><p>　　在General標簽中，作如下修改：1）把元件范例名改為Q，2）點下拉箭頭選擇符號為SYS_BJT_NPN（內(nèi)建符號），3）在布線圖模型中選擇Fixed和SOT23，如圖所示。</p><p>　　點擊Save AEL File，寫入修改值，但不要關(guān)閉對話框。你好要用它設(shè)置其它參數(shù)。</p><p>　　點擊Parameter

18、標簽，在參數(shù)名（Parameter Name）框中輸入beta，默認值設(shè)為100，點擊Add按鈕。如下圖所示，確認Display Parameter框被選中。點擊OK保存新的設(shè)定并關(guān)閉對話框。</p><p>　　在原理圖窗口中，保存設(shè)計，不要丟失創(chuàng)建的字電路。下一步，我們將介紹如何使用設(shè)計參數(shù)。</p><p>　　用曲線測試模板測試bjt_pkg子電路</p><p

19、>　　在當前bjt_pkg的原理圖中，點擊File＞New Design。對話框出現(xiàn)后，輸入名稱：dc_curves并選擇BJT_curve_tracer模板。如下圖所示。點擊OK，會生成一個新原理圖，就可以放置bjt_pkg了。</p><p>　　保存設(shè)計并點擊元件庫（Library）圖標。</p><p>　　出現(xiàn)對話框后，選擇任務(wù)amp_1900，并點擊bjt_pkg子電路，

20、放入原理圖，如下圖所示。你創(chuàng)建的每一個電路，作為子電路在任務(wù)重都是有效的。</p><p>　　按圖連接bjt_pkg的元件。你可能要調(diào)整線和文本框（F5鍵）是視圖看起來跟合理?，F(xiàn)在即可關(guān)閉元件庫窗口。再次保存dc_curves設(shè)計。注意，要養(yǎng)成經(jīng)常保存設(shè)計的好習慣。</p><p>　　關(guān)于模板的備注：除了用前面的方法插入模板外，我們也可以用原理圖窗口命令I(lǐng)nsert＞Templates

21、插入模板。許多模板都有預(yù)設(shè)置、節(jié)點名（線符號）和變量。因此，必須修改后才能用于你的電路。這些模板也有數(shù)據(jù)顯示模版，在預(yù)設(shè)格式下自動繪圖。這些數(shù)據(jù)顯示模版，在預(yù)設(shè)格式下自動繪圖。這些數(shù)據(jù)顯示模版在數(shù)據(jù)顯示窗口也有效。通常來說，如果你熟悉ADS，運用模板是非常有效和省時的。</p><p><b>　　調(diào)整參數(shù)掃描模板</b></p><p>　　可從0μA至100μA以

22、10μA步長改變掃描參數(shù)IBB的值，如圖所示。</p><p>　　但不要改變DC仿真控制器中關(guān)于VCE掃描的默認值，它們是正確的不需要修改。注意變量VAR（VCE=0，IBB=0）是不需要修改的，因為它們只需要在仿真器中對變量進行初始化。</p><p>　　在Beta=100和Beat=160時仿真</p><p>　　在Beta=100時仿真（F7鍵）。仿真完

23、成后，顯示數(shù)據(jù)會與繪圖結(jié)果一起生成（數(shù)據(jù)顯示窗口）。試著移動標記并觀察生成的新值。</p><p>　　再次對Beta=160仿真，直接在原理圖上修改即可。注意仿真值的變化。</p><p>　　驗證Beta=160，VCE=3V時的仿真值，此時假設(shè)輸入功率為10mW，IBB=40μA，IC=3mA。如果不正確就檢查你的設(shè)計。</p><p>　　打開一個新的設(shè)計并

24、在主窗口中查看你所有的文件</p><p>　　保存當前原理圖：dc_curves。在同一窗口中。創(chuàng)建一個新的設(shè)計（無模板），命名為dc_bias，點擊圖標保存設(shè)計。該設(shè)計就被寫入ADS的數(shù)據(jù)庫。</p><p>　　現(xiàn)在，查看ADS主窗口。你的網(wǎng)絡(luò)目錄里應(yīng)該有3個設(shè)計：bjt_pkg，dc_curves和dc_bias。在此之前，你可能需要在文件瀏覽器上雙擊network，來刷新瀏覽器。

25、</p><p>　　在文件瀏覽（File Browser）窗口中，點擊＋或－號框和向上箭頭，你就可以查找你所創(chuàng)建的任務(wù)中的文件。記住：你只能同時在一個任務(wù)中操作，但你可以把文件從其它任務(wù)中拷貝過來插入。</p><p>　　最后，在主窗口試著通過按鍵顯示/隱藏所有的窗口部件。該操作是為了設(shè)計安全或找到其它非ADS的窗口。在此情況下，只有主窗口可見。使用按鍵可以恢復(fù)顯示所有的窗口部件。&l

26、t;/p><p>　　對直流偏置的參數(shù)掃描進行設(shè)置并仿真</p><p>　　關(guān)于參數(shù)掃描的備注：如果我們只對一個參數(shù)掃描，可使用仿真控制器中的的掃描標簽（Sweep Tab）。但是如果對多個參數(shù)掃描，就需要參數(shù)掃描控制組件了。例如我們剛才使用過的模板。一般來說，所有的仿真控制器，都只允許你對單個參數(shù)（變量）進行掃描。</p><p>　　不使用模板建立電路的步驟如下：

27、</p><p>　　用library圖標放置bjt_pkg，進入bjt_pkg子電路?，F(xiàn)在，點擊File＞Parameters，重置Beta參數(shù)缺省值為160，退出子電路，刪除bjt_pkg，再重新插入它。此后不管你何時使用該模型電路，Beta值便始終為160了。</p><p>　　從探測元件（Probe component）面板或從歷史元件欄中放置I_Probe，并重命名為IC（如下

28、圖所示）。</p><p>　　從頻域源（Sources-Frequency domain）面板或歷史元件欄中放置一個直流電壓源和一個電流源，并設(shè)置其值為V_DC=3V，I_DC=1BB，如下圖所示。</p><p>　　把元件連接起來并接地（使用接地圖標）。</p><p>　　放置DC仿真控制器或DC。編輯：雙擊控制器，進入Sweep標簽欄中令I(lǐng)BB從10μA到

29、100μA，以10μA步長變化（輸入值分別為：10 uA；100 uA；和10 uA；）。然后，再Display標簽欄中檢查將要顯示的設(shè)置，如下圖。點擊Apply和OK。</p><p>　　設(shè)置一個VAR（點擊圖標）變量方程。用鼠標直接在屏幕上設(shè)置IBB=0 A為變量掃描的初始值。</p><p>　　在基極放置線符號VBE（點擊圖標）。該節(jié)點電壓會在數(shù)據(jù)組生成，用于計算偏置電阻值最后的

30、原理圖如下所示。</p><p>　　對數(shù)據(jù)仿真，繪圖。數(shù)據(jù)顯示窗口出現(xiàn)后，應(yīng)放置VBE與IC.i的列表值。因為你是通過IBB掃描得到這些值，所以IBB已自動包括在內(nèi)了。</p><p>　　關(guān)于結(jié)果的備注：正如你所見，3V電壓加于元件，產(chǎn)生40μA電流使VBE電壓為799mV，集電極電流為3.3mA。</p><p>　　保存設(shè)計與顯示數(shù)據(jù)。</p>

31、<p>　　計算共射電路偏置電阻Rb，Rc電阻值。</p><p>　　在數(shù)據(jù)顯示窗口，放入方程Rb=（3-VBE）/IBB。</p><p>　　在數(shù)據(jù)顯示窗口，選中剛剛輸入的Rb方程，并用Ctrl＋C鍵拷貝該方程，用Ctrl＋V把它粘貼到數(shù)據(jù)顯示窗口。此時，粘貼的方程由Rb變?yōu)镽b1。</p><p>　　使Rb1方程變?yōu)楦吡粒ㄒ娤聢D），并將其值修改

32、為Rc=2/IC.i。全部直流電壓為5V，因此，3V加于VCE，剩下2V加在集電極電阻上。</p><p>　　插入一張新的列表，點擊圖標，在對話框拖動滾動條到Equations菜單（如下圖所示）。并把Rb和Rc添加到輸出列表。</p><p>　　在輸出列表中Rb和Rc后面加入[3]，此時輸出表格變?yōu)橄旅娴男问?。它只顯示第3行的內(nèi)容（注意：此時行的計數(shù)從0開始，即：0，1，2，3等等）。

33、然后，你用數(shù)據(jù)顯示窗口的文字選項（Insert＞text或快捷鍵）為列表添加說明符號，如下圖所示。</p><p><b>　　設(shè)置偏置網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　現(xiàn)在你已經(jīng)有計算出的偏置的電阻值，可以測試偏置網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　保存設(shè)計（dc_bias）。并以新名dc_net另存該設(shè)計。同時，保存并關(guān)閉dc_bias的數(shù)據(jù)顯示窗

34、口。</p><p>　　對設(shè)計dc_net的原理圖做如下修改。先刪除IBB，I_probe和Var。</p><p>　　從集總元件面板（Lumped components）添加基極電阻Rb（Rb=56KOhm）和集電極電阻Rc（Rc=60KOhm）。</p><p>　　設(shè)置直流電壓源Vdc=5V。</p><p>　　刪除直流仿真控制器

35、，在其位置上放置一個新的直流仿真控制器。（你也可以通過對原來的直流進行修改實現(xiàn)上述功能，即，刪除掃描變量，去掉對掃描變量的顯示。只是上面的方法更快）。整理后的電路如下圖所示</p><p>　　關(guān)于放置具有布線功能元件的備注：隨后（本節(jié)最后一個試驗后），你可以很容易地通過改變元件名，形成具有布線功能的集總元件。例如，在選擇元件時，把集總元件面板（Lumped-Components）中的換成帶工藝安裝尺寸的集總元件

36、面板（Lumped-With Artwork）中的；把換成；把換成，等等。你就可以原理圖的電路板了（Layout）?，F(xiàn)在，圖中使用的都是無布線功能的集總參數(shù)元件。</p><p>　　對DC解作仿真和注釋</p><p>　　使用菜單命令Simulate＞Simulation Setup，在出現(xiàn)的對話框中去掉“open data display when simulation comple

37、tes”前面的勾。</p><p>　　然后，點擊“Simulate”鍵進行仿真（或按F7鍵）。仿真會以與原理圖同名（默認的）的數(shù)據(jù)組名進行。你可以通過閱讀狀態(tài)窗口進行檢驗。</p><p>　　點擊菜單命令Simulate＞Annotate DC Solution，為電流電壓注釋。有必要的話，移動一下元件或使用F5鍵移動文本框。使電流、電壓易于觀察。你設(shè)置的值應(yīng)合下圖所示一樣。如果不一樣

38、，就要檢查你的工作，包括子電路。</p><p>　　清除注釋：使用菜單命令Simulate＞Clear DC Annotation，然后保存所有工作。如果不學(xué)后面的內(nèi)容，就關(guān)閉所有窗口。</p><p><b>　　溫度掃描（選學(xué)）</b></p><p>　　編輯DC控制器——雙擊DC圖標。</p><p>　　在S

39、weep標簽欄中，輸入ADS的全局變量temp（默認單位為攝氏度）。把溫度范圍設(shè)置為-55至125，以5為步長（如下圖所示）。然后，在Display標簽欄中，選中在控制器中需要顯示的注釋復(fù)選框。然后點擊Apply，并察看。再點擊OK，關(guān)閉對話框。</p><p>　　插入VC和VBE的節(jié)點/引腳符號。</p><p>　　使用菜單命令Simulate＞Simulation Setup，把仿

40、真數(shù)據(jù)組名設(shè)置為dc_temp，選擇對話框打開數(shù)據(jù)顯示dc_net，點擊Apply，然后開始仿真。</p><p>　　在矩形圖中給出結(jié)果繪圖。以VC與temp的關(guān)系和VBE與temp的關(guān)系作圖。</p><p>　　每根曲線上可以以Delta模式設(shè)兩個標記，觀察電壓隨溫度的變化。曲線應(yīng)與下圖相似，隨溫度上升集電極電壓VC的下降速度應(yīng)為VBE的一半。該溫度掃描法（掃描全局變量）適用于所有的

41、ADS仿真。</p><p><b>　　附加練習：</b></p><p>　　在bjt_pkg的所有偏置點使用SP_NWA_T模板來產(chǎn)生S參數(shù)。這是一個很有用的模板。</p><p>　　用探頭（probe）繪電流（IC.i）隨溫度影響圖?；蛟囍O(shè)置一個溫度的傳遞參數(shù)（選項控制器中temp=25）。每個仿真面板中都有選項控制器。它們可以用來