本文介紹采用ADS2009仿真軟件進(jìn)行直流仿真，其用于測試設(shè)計(jì)電路的交流工作特性和S參數(shù)仿真。
一、交流仿真
交流仿真可用于分析電路的小信號(hào)特性，也可分析電路的噪聲特性，在進(jìn)行小信號(hào)交流仿真時(shí)，系統(tǒng)都需要對(duì)電路進(jìn)行直流仿真，找到非線性器件的直流工作點(diǎn)。通過對(duì)電路的小信號(hào)分析，可以得到電路的如電壓/電流增益、跨阻等一系列參數(shù)。

圖表 1 AC仿真原理圖

圖表 2 仿真結(jié)果
二、S 參數(shù)仿真
在進(jìn)行射頻或者微波電路設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)電路理論已不再適用，需采用分布參數(shù)電路的分析方法，而微波網(wǎng)絡(luò)分析方法是目前較為流行做法，對(duì)于微波網(wǎng)絡(luò)而言，S參數(shù)是表征微波網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的一個(gè)非常重要參數(shù)。
2.1 S 參數(shù)仿真的一般流程
1、 選擇器件模型并建立原理圖；
2、 確定S參數(shù)仿真的IO端口，并添加終端負(fù)載控件Term分別連接在電路的IO端口；
3、 添加S參數(shù)仿真控件，并設(shè)置S參數(shù)仿真參數(shù)；
4、 若需要掃描變量較多，需添加parameter sweep控件，同時(shí)也可以根據(jù)需要添加其他控件用于計(jì)算；
5、 若需要計(jì)算噪聲或者是群時(shí)延，需要在noise選項(xiàng)卡中勾選calculate noise和parameters選項(xiàng)卡中勾選group delay；
6、 運(yùn)行仿真；
7、 在數(shù)據(jù)窗口中查看仿真結(jié)果。
這里以一個(gè)簡單的低通濾波器來介紹一般的S參數(shù)仿真，低通濾波器為3階Chebyshev型濾波器，帶內(nèi)紋波為0.5dB，截至頻率為3.0GHz，設(shè)計(jì)后的原理圖如下：

圖表3 chebyshev低通濾波器仿真原理圖
根據(jù)上面的原理圖，在ADS中建立相應(yīng)的仿真原理圖：
1、 電容和電感元器件可以采用集總參數(shù)元件，在Lumped-components面板中選擇電感和電容添加至原理圖中；
2、 在Simulation-S para面板內(nèi)添加S仿真控件，并設(shè)置相應(yīng)的頻率掃描范圍、掃描類型等參數(shù)；
3、 添加兩個(gè)Term終端，連接在輸入端口和輸出端口；阻抗可默認(rèn)采用50 Ohm；
4、 也可以省略2-3步驟，采用菜單insert->Template->S params來插入S參數(shù)仿真模板；
5、 按照上圖連接原理圖并仿真；
6、 在數(shù)據(jù)顯示窗口中查看仿真結(jié)果。
上述的低通濾波器的仿真結(jié)果如下：

圖表4 仿真結(jié)果
2.2 調(diào)諧
對(duì)于一個(gè)初步完成的設(shè)計(jì)，可能仿真的結(jié)果離預(yù)期存在一定差異，往往需要通過對(duì)電路做一些微小改動(dòng)才滿足要求，同時(shí)在很多情況下，需要知道某一個(gè)元件的變化對(duì)整個(gè)結(jié)果的影響趨勢，這可以通過調(diào)諧來實(shí)現(xiàn)。
例如我們設(shè)計(jì)的一個(gè)5階chebyshev低通濾波器，帶內(nèi)紋波為0.5dB，截至頻率為3GHz，根據(jù)要
求設(shè)計(jì)的原理圖如下：

圖表5 5階低通濾波器調(diào)諧原理圖
與S參數(shù)仿真類似，建立好仿真原理圖后，進(jìn)行S參數(shù)仿真，仿真結(jié)果可以看到在電感和電容未進(jìn)行調(diào)諧前截至頻率在3GHz，下面通過調(diào)諧可以看到濾波器的變化趨勢：
1、 在原理圖中單擊，或者simulate->tuning，打開tune parameter窗口；
2、 單擊原理圖中需要進(jìn)行調(diào)諧的元件L1，彈出的對(duì)話框中勾選中L1，確定后在tune parameter窗口中就會(huì)顯示L1的可調(diào)諧狀態(tài)，如下圖所示，同樣選中所有元件，讓其全部進(jìn)入可調(diào)諧范圍，此時(shí)tune parameter窗口顯示所有元件待調(diào)整；
3、 在tune parameter窗口中單擊enable/disable按鈕，選中所有元件，代表使能所有元件可調(diào)諧；
4、 在tune parameter窗口中可調(diào)整元件的調(diào)諧范圍、步進(jìn)和調(diào)諧參數(shù)變化類型；
5、 在進(jìn)行調(diào)諧前將數(shù)據(jù)顯示窗口大小調(diào)整合適，并將history選擇ON模式，以便觀察調(diào)諧時(shí)曲線的變化趨勢；
6、 移動(dòng)滑塊或箭頭可以改變元件的值，同時(shí)也可以看到S21的變化趨勢。
7、 調(diào)諧完成后可以u(píng)pdate至原理圖中。

圖表6 調(diào)諧窗口

圖表7 調(diào)諧S21曲線變化趨勢圖
從仿真結(jié)果可以看到，增大電容C1 C2 C3的值，濾波器的截至頻率減小，低頻通帶帶寬相應(yīng)減小，高頻衰減較原始變大。
2.3 優(yōu)化
優(yōu)化是ADS提供的一種計(jì)算電路參數(shù)的一種方法，優(yōu)化需要設(shè)定一個(gè)目標(biāo)值，同時(shí)設(shè)定ADS可供
調(diào)整的變量，通過對(duì)設(shè)定變量的掃描，計(jì)算出符合目標(biāo)值的一組變量參數(shù)。優(yōu)化的控件面板是Optim/Stat/Yield/DOE，面板包含了優(yōu)化、統(tǒng)計(jì)、良品率和專有設(shè)備仿真控件。

圖表8 優(yōu)化控件和面板
對(duì)一個(gè)電路的優(yōu)化往往需要包含優(yōu)化控件、GOAL控件，GOAL控件即用來設(shè)定希望電路達(dá)到的一種目標(biāo)狀態(tài)。以下我們以一個(gè)5階低通濾波器來說明優(yōu)化的過程。優(yōu)化的目標(biāo)是在5GHz的S21值最大為-40dB，在3GHz和2.4GHz ±0.1GHz范圍內(nèi)的S21的最大值為-1dB。
1、 在5.2節(jié)建立的5階低通濾波器的原理圖中，將每個(gè)元件的值均用一個(gè)變量代替，如下面原理圖所示，并在原理圖中添加變量等式，本原理圖命名的變量為c1~c3，l1、l2；
2、 雙擊，添加上面5個(gè)變量，并賦初值，如下圖所示，并在Tune/opt/stat/DOE setup中優(yōu)化選項(xiàng)卡里設(shè)置使能優(yōu)化選項(xiàng)、變量變化類型和相應(yīng)的變化范圍；
3、 添加優(yōu)化控件，控件設(shè)置一般按照默認(rèn)設(shè)置即可，需要改變的一是優(yōu)化方法（Optimization Type），二是優(yōu)化的次數(shù)（Maxlters）。在優(yōu)化方法下拉菜單中有很多優(yōu)化方法，它們是基于不同的算法的。一般如果自己對(duì)變量的初值不確定時(shí)可以用Random，它是隨機(jī)的，適合于大范圍的搜索；如果結(jié)果與預(yù)期比較接近，那么可以改為Gradient，它會(huì)在一個(gè)小范圍去改變變量值。還有一個(gè)Discrete，它的值是離散變化的，適合于諸如電容、電阻、電感等器件的實(shí)際模型。
4、 添加目標(biāo)控件，按照要求設(shè)置相應(yīng)的值。
5、 優(yōu)化完成后通過simulate->update optimization values更新優(yōu)化的值。

圖表 9 設(shè)置優(yōu)化變量窗口
設(shè)置后的原理圖：

圖表 10 優(yōu)化原理圖
仿真后的結(jié)果如下圖：

圖表 11 優(yōu)化結(jié)果
2.4 容差/良率分析
之所以要進(jìn)行容差分析，是因?yàn)槿魏坞娮釉骷嬖谝欢ǖ恼`差，如電感、電容的精度等。例如一個(gè)標(biāo)稱為2.0nH±0.1nH的電感，代表的意思產(chǎn)品有99.74%的概率落在2.0nH±0.1nH范圍內(nèi)，即滿足6σ，σ是標(biāo)準(zhǔn)偏差或者說方差，當(dāng)產(chǎn)品隨機(jī)變量值與平均值之差為6σ時(shí)，產(chǎn)品的良品率為99.74%，這是統(tǒng)計(jì)學(xué)范疇。
2.4.1 容差分析
電路模塊的容差分析可以通過蒙特卡洛（Monte carlo）分析進(jìn)行，通過容差分析可以知道元件的誤差對(duì)電路性能的影響程度，以一個(gè)帶通濾波器為例說明容差分析的方法。如下是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)帶通濾波器，要求在2.4GHz-2.5GHz通帶內(nèi)插損小于2dB，在3.2GHz處最小的衰減值為20dB，在1.6GHz處的衰減值最小為15dB，設(shè)計(jì)原理圖如下：

圖表 12 3階帶通濾波器原理圖
在未添加蒙特卡洛仿真控件情況下其結(jié)果如下

圖表 13 3階帶通濾波器仿真結(jié)果
容差分析可以對(duì)幾個(gè)或者一個(gè)元件進(jìn)行，但至少需要1個(gè)存在誤差的元件的變量，這里對(duì)C1和C3的變化來看對(duì)整個(gè)濾波器的影響，具體流程如下：
1、 將需要進(jìn)行容差分析的元件值設(shè)置為變量，并添加變量等式VAR；
2、 在VAR中設(shè)置變量的初值，并在Tune/opt/stat/DOE setup中的statistics選項(xiàng)卡中使能statistics status，同時(shí)設(shè)置變量的分布類型和誤差。這里設(shè)置c1和c3分別為±0.25和5%。
3、 添加MONTE CARLO控件，設(shè)置SimInstanceName和Numitem，即選擇內(nèi)嵌的仿真器和抽樣次數(shù)，本例以設(shè)置10次。
4、 設(shè)置OK后運(yùn)行仿真，查看仿真結(jié)果如下。

圖表 14 容差分析結(jié)果
藍(lán)色曲線是濾波器需要符合的模板，仿真可以看到C1和C3對(duì)濾波器的通帶內(nèi)的衰減平衡，某些情況下在2.5GHz的衰減值已超過2dB的插損。所以這樣的濾波器參數(shù)不能很好地應(yīng)對(duì)元件誤差帶來的影響。
2.4.2 良率分析
良率分析是用于分析設(shè)計(jì)電路通過給定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量和總的數(shù)量的比率，但是對(duì)于一個(gè)電路設(shè)計(jì)來說，可能存在的設(shè)計(jì)總量是無法估計(jì)的，所以良率分析均是采用一種有限數(shù)量的試驗(yàn)來進(jìn)行分析，當(dāng)試驗(yàn)的次數(shù)越多，就越接近真實(shí)情況。
上面的帶通濾波器優(yōu)化不夠完善，我們來分析一個(gè)之前設(shè)計(jì)的3階低通濾波器的良品率，定義3階低通濾波器的spec為0-3GHz內(nèi)插損為1dB，回波損耗最小為15dB，4.8GHz-6GHz的插損最小為10dB，根據(jù)如上要求建立原理圖：
1、 在原理圖中添加Yield分析的控件和Yield SPEC控件，并設(shè)置相應(yīng)的Yield的SimItem數(shù)量為
1000，并在parameters選項(xiàng)卡內(nèi)勾選save data all for all trials以保持所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)置
Yield SPEC控件，定義良率分析的參考值。
2、 良率分析至少需要一個(gè)可變變量，這里分析三個(gè)元件對(duì)良品率帶來的影響。設(shè)置原理圖如下：

圖表 15 良率分析原理圖
仿真結(jié)果如下：

圖表 16 良率分析結(jié)果
可以看到該濾波器的良品率為76.5%，改變器件C1和C2的精度，良品率為提升至81.7%。

圖表 17 提高精度與良率的影響結(jié)果
在原理圖中添加了senshist控件，它用來統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果中，某一個(gè)變量對(duì)良品率帶來的影響程度，如在原理圖中該控件的設(shè)置為sensHist1=histogram_sens(dB(S(1,1)),l1,-15,2.4GHz,2.5GHz)，代表的意思是l1這個(gè)變量，在2.4GHz-2.5GHz頻率范圍內(nèi)，對(duì)S11值小于-15dB的影響程度，從兩次仿真結(jié)果來看，當(dāng)l1的值偏大的話，對(duì)S11的影響更小，所以在不改變C1和C2的精度情況下，將電感的值有2.9nH改為3.0nH時(shí)，其得到的良品率為93%，結(jié)果如下圖所示，可以看到在不改版器件精度的情況下，增大L1的值對(duì)良品率有很大幫助。

圖表 18 修改L1對(duì)良率影響

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ADS仿真 之 交流仿真和S参数仿真示例的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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