1、36实验三、直流仿真和建立电路模型概 述本章将介绍参数的子网络，在分层设计中如何创建和使用它们。我们将从一个元件建模开始。对于性能较好的元件模型，最低层的子网络应包括封装寄生参数。一个测试模板将用来对一个可以计算，建立并检验的偏置网络的响应进行仿真并输出响应曲线。该实验中的电路是本教材中其它实验使用的放大器基础。任 务 建立一个考虑寄生参数的通用 BJT 模型，并保存在自电路中。 设置并运行大量 DC 仿真来确定其性能。 在数据显示中计算偏置电阻。 在 DC 仿真基础上建立一个偏置网络。 测试偏置网络。目 录1. 新建任务：amp_1900 372. 设置一个通用 BJT 符号和模型卡373.
2、 对电路添加寄生参数和连接部分394. 观察缺省符号395. 设置设计参数和内建符号406. 用曲线指示模板测试 bjt_pkg 的子电路 427. 修改参数扫描模板438. 在 Beta=100 和 160 时仿真449. 打开一个新设计，并在主窗口中查看你的所有文件4510. 对直流偏置的参数扫描进行设置并仿真4611. 计算共射电路偏置电阻 Rb, Rc 的值4912. 偏置网络5013. 对直流解作仿真和注释5114. 选学：温度扫描5237步骤1、新建任务：amp_1900a. 如果你还没有创建该任务，就请现在创建。然后在该信任务 amp_1900 中打开一个新的原理图窗口并以 bj
3、t_pkg 为名保存它，并在Optionpreferences 中进行你希望的设置。2、设置一个通用 BJT 符号和模型卡a. 在原理图窗口中，选择面板 Devices-BJT.。选择 BJT-NPN 放入原理图中，如下所示。b. 插入 BJT_Model 模型元件，如下所示。38c. 双击 BJT-Model 卡。出现对话框后，点击 Component Options，在下一对话框中，点击 Clear All 使参数可见。然后点击 Apply，该操作会删掉原理图中的 Gummel-Poon 参数表。不要关闭该对话框。关于 Binning 的备注：你可以插入多模型组卡，用 Binning 元件
4、改变模型元件的变量值。这些变量可作为例如温度、长度、宽度等参数。Binning 元件允许你创建一个参考模型的矩阵。d. 接着，在 BJT_Mode 对话框中选择 Bf 参数，并输入 Beta 如下图所示。并在 Display parameter on schematic 前面打上勾。然后，点击 Apply。Beta 此时成为该电路的一个参数，接下来你就可以按调整变量的方法对其进行调整。e. 设置 Vaf（预置电压）=50，并显示。f. 令 Ise（E、B 漏电流） =0.02e-12。并显示。然后点击 OK 关闭 Bipolar Transistor Model：1 对话框。现在该元件就有了更
5、多的实际参数。g. 去掉 BJT 元件的一些不希望显示的参数（例如，面积、区域、温度和模式）39。方法是双击 BJT1，在打开的对话框中选中不希望显示参数选项。然后去掉 display parameter on schematic 前面的勾。3、为电路加入寄生参量和电路连接部分下图为考虑寄生和接头的完整的电路图。注意使用旋转图标 把元件调整到合适的方向。放置元件的步骤如下：a. 放置集总参数 L、C 元件：插入三个 320pH 的引线电感和两个 120fF 的结电容。注意使用正确的单位（P、F ） ，否则电路不会得到正确的相应。（提示：如果你已经输入过 L 或 C，可在元件历史栏中直接输入 L
6、 或C。可不通过面板而直接获得元件）b. 为基极引线电感连接一个 R=0.01 的电阻，并显示其值（如下图所示） 。c. 放置端口接头：点击端口接头图标 。然后，务必按如下顺序放置接头：1）集电极 C；2）基极 B；3）发射极 E。只有如此，接头才能与ADS BJT 符号有相同的顺序。d. 编辑端口名：如：改 P1 为 C，P2 为 B，P3 为 E。e. 整理原理图：摆放元件使原理图看起来有序这是一种很好的实践。按 F5 键，选中元件，移动鼠标，可把元件文本框移动到需要位置。404、观察缺省符号有三种方法为电路创建符号：1）使用默认符号；2）绘制符号；3）使用ADS 内建符号。本练习中，你将
7、使用一个内建的 BJT 符号。此前，应删除ADS 赋给电路的缺省符号。其步骤如下：a. 点击 ViewCreate / EditSchematicSymbol，可以找到找到默认符号。如果系统中没有电路的缺省符号。点击 ViewCreate / EditSchematicSymbol 后出现下面的对话框，点 OK，默认符号就会出现。b. 接着，产生一个三端矩形框。这是默认符号。如果系统中有电路的缺省符号。点击 ViewCreate / EditSchematicSymbol 后直接会出现下面的三端矩形框。用命令 SelectSelect All，点击删除图标 或按 Del 键可删除默认符号。c.
8、 点击 ViewCreate / Edit Schematic 回到原理图。5、设置设计参数和内建符号a 点击 FileDesign Parameters, 出现下面的对话框。b在 General 标签中，作如下修改：1）把元件范例名改为 Q，2）点下拉箭头选择符号为 SYS_BJT_NPN（内建符号） ，3）在布线图模型中选择Fixed 和 SOT23，如图所示。41c 点击 Save AEL File，写入修改值，但不要关闭对话框。你好要用它设置其它参数。d点击 Parameter 标签，在参数名（Parameter Name）框中输入 beta，默认值设为 100，点击 Add 按钮。如
9、下图所示，确认 Display Parameter 框被选中。点击 OK 保存新的设定并关闭对话框。e 在原理图窗口中，保存设计，不要丢失创建的字电路。下一步，我们将42介绍如何使用设计参数。6、用曲线测试模板测试 bjt_pkg 子电路a 在当前 bjt_pkg 的原理图中，点击 FileNew Design。对话框出现后，输入名称：dc_curves 并选择 BJT_curve_tracer 模板。如下图所示。点击OK，会生成一个新原理图，就可以放置 bjt_pkg 了。b保存设计并点击元件库（Library）图标 。c 出现对话框后，选择任务 amp_1900，并点击 bjt_pkg 子
10、电路，放入原理图，如下图所示。你创建的每一个电路，作为子电路在任务重都是有效的。43d按图连接 bjt_pkg 的元件。你可能要调整线和文本框（F5 键）是视图看起来跟合理。现在即可关闭元件库窗口。再次保存 dc_curves 设计。注意，要养成经常保存设计的好习惯。关于模板的备注：除了用前面的方法插入模板外，我们也可以用原理图窗口命令 InsertTemplates 插入模板。许多模板都有预设置、节点名（线符号）和变量。因此，必须修改后才能用于你的电路。这些模板也有数据显示模版，在预设格式下自动绘图。这些数据显示模版，在预设格式下自动绘图。这些数据显示模版在数据显示窗口也有效。通常来说，如果
11、你熟悉 ADS，运用模板是非常有效和省时的。7、调整参数扫描模板a 可从 0A 至 100A 以 10A 步长改变扫描参数 IBB 的值，如图所示。44但不要改变 DC 仿真控制器中关于 VCE 扫描的默认值，它们是正确的不需要修改。注意变量 VAR（VCE=0，IBB=0）是不需要修改的，因为它们只需要在仿真器中对变量进行初始化。8、在 Beta=100 和 Beat=160 时仿真a 在 Beta=100 时仿真（F7 键） 。仿真完成后，显示数据会与绘图结果一起生成（数据显示窗口） 。试着移动标记并观察生成的新值。45b再次对 Beta=160 仿真，直接在原理图上修改即可。 注意仿真值
12、的变化。c 验证 Beta=160，VCE=3V 时的仿真值，此时假设输入功率为10mW，IBB=40A，IC=3mA 。如果不正确就检查你的设计。9、打开一个新的设计并在主窗口中查看你所有的文件a 保存当前原理图：dc_curves。在同一窗口中。创建一个新的设计（无模板） ，命名为 dc_bias，点击图标 保存设计。该设计就被写入 ADS 的数据库。b现在，查看 ADS 主窗口。你的网络目录里应该有 3 个设计：bjt_pkg，dc_curves 和 dc_bias。在此之前，你可能需要在文件浏览器上双击 network，来刷新浏览器。46c 在文件浏览（File Browser）窗口中
13、，点击或号框和向上箭头，你就可以查找你所创建的任务中的文件。记住：你只能同时在一个任务中操作，但你可以把文件从其它任务中拷贝过来插入。d最后，在主窗口试着通过按键 显示/隐藏所有的窗口部件。该操作是为了设计安全或找到其它非 ADS 的窗口。在此情况下，只有主窗口可见。使用按键 可以恢复显示所有的窗口部件。10、 对直流偏置的参数扫描进行设置并仿真关于参数扫描的备注：如果我们只对一个参数扫描，可使用仿真控制器中的的扫描标签（Sweep Tab） 。但是如果对多个参数扫描，就需要参数扫描控制组件了。例如我们刚才使用过的模板。一般来说，所有的仿真控制器，都只允许你对单个参数（变量）进行扫描。不使用模
14、板建立电路的步骤如下：a 用 library 图标 放置 bjt_pkg，进入 bjt_pkg 子电路。现在，点击FileParameters，重置 Beta 参数缺省值为 160，退出子电路，删除bjt_pkg，再重新插入它。此后不管你何时使用该模型电路，Beta 值便始终为 160 了。47b从探测元件（Probe component）面板或从历史元件栏中放置 I_Probe，并重命名为 IC（如下图所示） 。c 从频域源（Sources-Frequency domain）面板或历史元件栏中放置一个直流电压源和一个电流源，并设置其值为 V_DC=3V，I_DC=1BB，如下图所示。d把元件
15、连接起来并接地（使用接地图标） 。48e 放置 DC 仿真控制器或 DC。编辑：双击控制器，进入 Sweep 标签栏中令 IBB 从 10A 到 100A，以 10A 步长变化（输入值分别为： 10 uA；100 uA；和 10 uA；） 。然后，再 Display 标签栏中检查将要显示的设置，如下图。点击 Apply 和 OK。f 设置一个 VAR（点击图标 ）变量方程。用鼠标直接在屏幕上设置IBB=0 A 为变量扫描的初始值。g在基极放置线符号 VBE（点击图标 ） 。该节点电压会在数据组生成，用于计算偏置电阻值最后的原理图如下所示。h对数据仿真，绘图。数据显示窗口出现后，应放置 VBE
16、与 IC.i 的列表值。因为你是通过 IBB 扫描得到这些值，所以 IBB 已自动包括在内了。49关于结果的备注：正如你所见，3V 电压加于元件，产生 40A 电流使 VBE电压为 799mV，集电极电流为 3.3mA。i 保存设计与显示数据。11、 计算共射电路偏置电阻 Rb，Rc 电阻值。a 在数据显示窗口，放入方程 Rb=（3-VBE）/IBB。b在数据显示窗口，选中刚刚输入的 Rb 方程，并用 CtrlC 键拷贝该方程，用 CtrlV 把它粘贴到数据显示窗口。此时，粘贴的方程由 Rb 变为Rb1。c 使 Rb1 方程变为高亮（见下图） ，并将其值修改为 Rc=2/IC.i。全部直流电压
17、为 5V，因此，3V 加于 VCE，剩下 2V 加在集电极电阻上。50d插入一张新的列表，点击图标 ，在对话框拖动滚动条到 Equations 菜单（如下图所示） 。并把 Rb 和 Rc 添加到输出列表。e 在输出列表中 Rb 和 Rc 后面加入3，此时输出表格变为下面的形式。它只显示第 3 行的内容（注意：此时行的计数从 0 开始，即：0，1，2，3等等） 。然后，你用数据显示窗口的文字选项（Inserttext 或快捷键 ）为列表添加说明符号，如下图所示。12、 设置偏置网络现在你已经有计算出的偏置的电阻值，可以测试偏置网络。a 保存设计（dc_bias） 。并以新名 dc_net 另存该
18、设计。同时，保存并关闭dc_bias 的数据显示窗口。b对设计 dc_net 的原理图做如下修改。先删除 IBB，I_probe 和 Var。c 从集总元件面板（Lumped components）添加基极电阻Rb（Rb=56KOhm）和集电极电阻 Rc（Rc=60KOhm） 。d设置直流电压源 Vdc=5V。e 删除直流仿真控制器，在其位置上放置一个新的直流仿真控制器。 （你也51可以通过对原来的直流进行修改实现上述功能，即，删除扫描变量，去掉对扫描变量的显示。只是上面的方法更快） 。整理后的电路如下图所示关于放置具有布线功能元件的备注：随后（本节最后一个试验后） ，你可以很容易地通过改变元
19、件名，形成具有布线功能的集总元件。例如，在选择元件时，把集总元件面板（Lumped-Components ）中的 换成带工艺安装尺寸的集总元件面板（Lumped-With Artwork）中的 ；把 换成 ；把 换成 ，等等。你就可以原理图的电路板了（Layout ） 。现在，图中使用的都是无布线功能的集总参数元件。13、 对 DC 解作仿真和注释a 使用菜单命令 SimulateSimulation Setup，在出现的对话框中去掉“open data display when simulation completes”前面的勾。b然后，点击“Simulate”键进行仿真（或按 F7 键）
20、。仿真会以与原理图同名（默认的）的数据组名进行。你可以通过阅读状态窗口进行检验。52c 点击菜单命令 SimulateAnnotate DC Solution，为电流电压注释。有必要的话，移动一下元件或使用 F5 键移动文本框。使电流、电压易于观察。你设置的值应合下图所示一样。如果不一样，就要检查你的工作，包括子电路。d清除注释：使用菜单命令 SimulateClear DC Annotation，然后保存所有工作。如果不学后面的内容，就关闭所有窗口。14、 温度扫描（选学）a 编辑 DC 控制器双击 DC 图标。b在 Sweep 标签栏中，输入 ADS 的全局变量 temp（默认单位为摄氏度
21、） 。把温度范围设置为-55 至 125，以 5 为步长（如下图所示） 。然后，在Display 标签栏中，选中在控制器中需要显示的注释复选框。然后点击Apply，并察看。再点击 OK，关闭对话框。53c 插入 VC 和 VBE 的节点/引脚符号。d使用菜单命令 SimulateSimulation Setup，把仿真数据组名设置为dc_temp，选择对话框打开数据显示 dc_net，点击 Apply，然后开始仿真。54e 在矩形图中给出结果绘图。以 VC 与 temp 的关系和 VBE 与 temp 的关系作图。f 每根曲线上可以以 Delta 模式设两个标记，观察电压随温度的变化。曲线应与下图相似，随温度上升集电极电压 VC 的下降速度应为 VBE 的一半。该温度扫描法（扫描全局变量）适用于所有的 ADS 仿真。附加练习：1、在 bjt_pkg 的所有偏置点使用 SP_NWA_T 模板来产生 S 参数。这是一个很有用的模板。2、用探头（probe）绘电流（ IC.i）随温度影响图。或试着设置一个温度的传递参数（选项控制器中 temp=25） 。每个仿真面板中都有选项控制器。它们可以用来为 DC 设置收敛点和设置固定仿真温度。3、用另一个模型（Mextram）代替 Gummel-Poon 模板卡，并重新仿真。完成以后，比较仿真结果。55
