射頻仿真技術(shù)PPT課件

1、1 在技術(shù)革命不斷深化的今天，不斷增加的實際應(yīng)用對系統(tǒng)設(shè)計 提出了更高的要求，具體表現(xiàn)在體積的小型化、模塊化和功能的集 成化。這些需求也進而體現(xiàn)在了射頻系統(tǒng)的設(shè)計上。在現(xiàn)階段，僅 靠人工計算進行的設(shè)計方式無論是在速度上還是計算的準確性上都 已不再適應(yīng)射頻的系統(tǒng)設(shè)計。那么選擇一款合適的CAD軟件來加快 設(shè)計進度，提高設(shè)計的準確性已成了必然的選擇。 仿真軟件 有源電 路設(shè)計 二維平面 電磁場 無源電 路設(shè)計 三維電 磁場 多物理 場 Touchstone HP MIT 數(shù)據(jù)類型區(qū)分：時域、頻域、電磁域 仿真類型區(qū)分：線性、非線性 應(yīng)用類型區(qū)分：設(shè)計、驗證 DC仿真的應(yīng)用： 確定電路的工作點 確定電

2、路的功耗 通過驗證I-V傳輸曲線判斷電路是否正常 計算電路中各節(jié)點的電壓和電流關(guān)系 單點直流仿真原理圖與計算結(jié)果 靜態(tài)工作點直流仿掃描真原理圖與計算結(jié)果 AC仿真： 用于計算電路或系統(tǒng)的小信號條件下的頻率響應(yīng)特性 用于計算電路或系統(tǒng)的線性噪聲 功放的AC仿真原理圖結(jié)果與仿真結(jié)果 線性噪聲指的是系統(tǒng)或電路內(nèi)部元件由于溫度等產(chǎn)生的固有噪聲！ 電源噪聲、傳輸噪聲的影響不在計算范圍之內(nèi)! Tansient Simulation全稱是Transient/Convolution Simulation，從本質(zhì)上講，Transient Simulation是時域的仿 真工具，它基于KCL/KVL定理，利用各種

3、積分/微分方程來進行 求解，得到的結(jié)果是一個信號的時間域的結(jié)果（也就是電壓和電 流）。它的基礎(chǔ)模型是Spice模型，所以它也是一個Spice類型的 時間域的仿真，一般應(yīng)用于電路或子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)仿真。 102030405060070 -50 0 50 100 -100 150 ti m e, nsec Vi f, m V Vl oad, m V Eqn spect rum =fs(V i f, , , , , , , 24ns, 32ns) 0.51.01.52.02.53.03.54.04.50.05.0 -100 -50 -150 0 freq, G H z dB(spectrum ) E

4、qn l oad_spect rum =fs(V l oad, , , , , , , 24ns, 52ns) m 1 freq= dB(l oad_spect rum )=-28. 920 250. 0M Hz 0.51.01.52.02.53.03.54.04.50.05.0 -100 -50 -150 0 freq, G H z dB(l oad_spectrum ) 233. 3M -32. 60 m 1 m 1 freq= dB(l oad_spect rum )=-28. 920 250. 0M Hz Gilbert混頻器的仿真及仿真結(jié)果t 對任意電路而言，其響應(yīng)都 需要一個建立時

5、間，必須確 保中止時間大于建立時間， 才可以得到準確的結(jié)果。對 于本例而言，此時間大概在 22ns左右。 Envelop 仿真是一個比較特殊的仿真引擎。雖然將現(xiàn) 在多數(shù)是將它用于時域仿真，但是其本身卻有很強的頻域仿 真能力。在ADS的早期版本中，很多使用HB Simulation 的場合，都是用Envelop Simulation來替代的。 通過Envelop仿真可以得到一個復(fù)雜信號通過電路/系 統(tǒng)后的包絡(luò)變化情況。 10203040050 0. 5 1. 0 1. 5 0. 0 2. 0 t i m e, nsec m ag(Vi f 1 ) m 1 freq= dB(fs(vin1,Kai

6、ser)=-15.783 100.0M Hz m 2 freq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-20.990 120.0M Hz m 3 freq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-20.518 80.00M Hz - 4- 2024- 66 - 80 - 60 - 40 - 20 - 100 0 f req, G H z dB(f s(vi n 1 , , , , , Kai ser) 100.0M -15.78 m 1 Readout m 2 Readout m 3 m 1 freq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-15.783 100.0M Hz m 2 fr

7、eq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-20.990 120.0M Hz m 3 freq= dB(fs(vin1,Kaiser)=-20.518 80.00M Hz 脈沖調(diào)制信號通過放大器后的包絡(luò)與頻譜 在Envelop Simulation中，必須 確定如下幾個參數(shù)：起始時間、中 止時間與時間步進（這與 Transient Simulation是一致的） 和仿真頻率與階數(shù)（這與后面詳細 介紹的HB Simulation是一致的）。 HB Simulation全稱是Harmonic Balance Simulation，它 也是一種頻域的仿真技術(shù)，主要用來計算電路/系統(tǒng)的非線性 失真

8、特性。相比于傳統(tǒng)的時域仿真而言，頻域仿真有著巨大的 優(yōu)勢：可以根據(jù)通路中的電壓/電流，求出相應(yīng)的頻譜分布， 而且對于大多數(shù)線性模型而言，在頻域中的表達要比時域中的 更加精確。 利用HB Simulation可以得到以下參數(shù)： 得到電壓/電流的頻譜分量 計算3階距點、總諧波失真和交調(diào)失真分量 非線性噪聲分析 m 1 freq= dBm (vout )=3. 995 304. 0M Hz m 2 i nd Del t a= dep Del t a=-73. 477 del t a m ode O N -1. 000E6 300310 -200 -150 -100 -50 0 -250 50 f r

9、 eq, M H z dBm (vout) Readout m 1 Readout m 2 m 1 freq= dBm (vout )=3. 995 304. 0M Hz m 2 i nd Del t a= dep Del t a=-73. 477 del t a m ode O N -1. 000E6 f r eq H z i po1 40. 733 m 3 freq= dBm (I F)=-21. 800 304. 0M Hz m 4 freq= dBm (I F)=-124. 087 303. 0M Hz 300310 -300 -200 -100 -400 0 f r eq, M H

10、z dBm (IF) Readout m 3 Readout m 4 m 3 freq= dBm (I F)=-21. 800 304. 0M Hz m 4 freq= dBm (I F)=-124. 087 303. 0M Hz m 5 freq= dBm (BI t )=-19. 800 304. 0M Hz 300310 -300 -200 -100 -400 0 f r eq, M H z dBm (BIt) Readout m 5 m 5 freq= dBm (BI t )=-19. 800 304. 0M Hz 接收鏈路的HB仿真 1020304050607080900100 -1

11、10 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -120 10 noi sef req, KHz pnoi se. pnm x, dBc R eadout m 1 R eadout m 2 R eadout m 3 R eadout m 4 m 1 noi sef req= pnoi se. pnm x=8. 168 dBc 10. 00 H z m 2 noi sef req= pnoi se. pnm x=-23. 07 dBc 110. 0 H z m 3 noi sef req= pnoi se. pnm x=-51. 96 dBc 1. 0

12、10kH z m 4 noi sef req= pnoi se. pnm x=-81. 84 dBc 10. 01kH z 非線性噪聲響應(yīng)的仿真原理圖與結(jié)果 仿真過程與設(shè)置與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相同，是最常用的 射頻仿真引擎！ 220240260280300320340360380200400 3. 4348325 3. 4348325 3. 4348325 3. 4348325 3. 4348325 freq, M H z N Fm i n 220240260280300320340360380200400 4. 7566899 4. 7566899 4. 7566899 4. 7566899 4

13、. 7566899 freq, M H z nf(2) 基于S參數(shù)仿真的線性噪聲分析 用于對一個由兩端口器件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)進行線性和 非線性仿真，確定系統(tǒng)設(shè)計的余量，及系統(tǒng)設(shè)計的瓶頸。 M eas_N am e C m p_N F_dB C m p_S21_dB C m p_O ut TO I _dBm N F_R ef I n_dB O ut N PwrTot al _dBm O ut Pwr_dBm O ut PG ai n_dB O ut N 0_dBm O ut SN R _Tot al _dB O ut PG ai nC hange_dB O ut TO I _dBm O ut P

14、1dB_dBm C m p_C t rb_SysN F_N oI m age. . . C m p_C t rb_SysTO I _dB BPF1 0. 000 -2. 656E-6 1000. 000 0. 000 -173. 975 -20. 000 -2. 656E-6 -173. 975 153. 975 0. 000 1000. 000 1000. 000 0. 000 0. 000 M 2 3. 000 0. 000 1000. 000 4. 758 -169. 217 -20. 000 -2. 656E-6 -169. 217 149. 217 0. 000 1000. 000

15、1000. 000 3. 000 0. 000 BPF2 0. 000 2. 007E-6 1000. 000 4. 758 -169. 217 -20. 000 -6. 482E-7 -169. 217 149. 217 0. 000 1000. 000 1000. 000 0. 000 0. 000 AM P2 3. 000 10. 000 30. 600 6. 973 -157. 002 -10. 001 9. 999 -157. 002 147. 001 -0. 001 30. 600 19. 938 1. 757 1000. 000 System _Nam e System I nN

16、0_dBm System I nNPwr_dBm System I nP1dB_dBm System I nSO I _dBm System I nTO I _dBm System NF_dB System O utN0_dBm System O utNPwr_dBm System O utP1dB_dBm System O utSO I _dBm System O utTO I _dBm System PG ai n_SS_dB System PG ai n_dB System PO ut_dBm System S11_dB System S11_m ag System S11_phase

17、System S12_dB System S12_m ag System S12_phase System S21_dB System S21_m ag System S21_phase System S22_dB System S22_m ag System S22_phase System _Val ue -173.975 -170.965 10.937 1000.000 20.600 6.973 -157.002 -157.002 19.938 1000.000 30.600 10.000 9.999 -10.001 -260.227 9.742E-14 89.606 -400.000

18、0.000 0.000 9.999 3.162 -0.649 -400.000 0.000 0.000 Budget仿真及結(jié)果 元件級 系統(tǒng)級 作用：用于計算大信號條件下的非線性器件的S參數(shù)。 與普通小信號S參數(shù)仿真不同，仿真基于Harmonic Balance技術(shù)。因為仿真可以包含壓縮等非線性過程，所以仿真結(jié) 果是與功率相關(guān)的。 功放電路的S12仿真及結(jié)果 傳統(tǒng)的仿真引擎一次只能處理一組數(shù)據(jù)，當需要比較同 一個電路拓撲，在不同參數(shù)下的響應(yīng)的區(qū)別時，可以利用 Batch仿真！ 0. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 11. 0 -30 -20 -10 0 10 2

19、0 30 -40 40 f req, G H z dB(S(2, 1) 0, : : dB(S(2, 1) 1, : : dB(S(2, 1) 2, : : dB(S(2, 1) 0, : : dB(S(2, 1) 1, : : dB(S(2, 1) 2, : : Batch仿真及結(jié)果 YIELD 分析能夠按照變量元件的離散分布分析 出產(chǎn)品達到性能目標的合格率。通過給出所采用的 器件的連續(xù)或離散變化特性，（它們符合電子產(chǎn)品 的分布特性正態(tài)分布、高斯分布或其他分布）。 YIELD 分析基于Monte Carlo 方法，需要建立一 定數(shù)量的隨機試驗。設(shè)計變量在容差范圍內(nèi)變化， 隨機試驗中符合設(shè)計目

20、標需要的試驗次數(shù) （PASSNUMBER）和失敗的實驗次數(shù)將會得到， 從而估算出產(chǎn)品的試驗合格率。 電路仿真原理圖 Yield仿真設(shè)置 Yield仿真結(jié)果優(yōu)化前 Yield仿真結(jié)果優(yōu)化后 射頻系統(tǒng)的設(shè)計指標 接收機主要技術(shù)指標： 噪聲系數(shù) 帶寬 帶內(nèi)雜散 帶外抑制 動態(tài)范圍（主要以三階交調(diào)產(chǎn)物的方式進行刻畫） 通道一致性（幅/相） 通道帶內(nèi)波動（幅/相） 如果為中頻采樣方式 中頻采樣頻率 時鐘抖動 頻率源主要技術(shù)指標： 跳頻點數(shù) 跳頻時間 輸出功率 相位噪聲 帶外抑制 帶內(nèi)雜散 噪聲系數(shù)HB仿真、S參數(shù)仿真 系統(tǒng)帶寬HB仿真、S參數(shù)仿真、AC仿真 帶內(nèi)雜散What-IF、Spctrasys 帶外抑制What-IF、Spctrasys 動態(tài)范圍HB仿真 通道一致性Yield仿真 通道帶內(nèi)波動S參數(shù)仿真 中頻采樣頻率Matlab 采樣時鐘抖動 導致SNR變化 Matlab 輸出功率 HB仿真 相位噪聲HB仿真 設(shè)計內(nèi)容： 接收機中放電路 PCB：41mm*44mm介質(zhì)板，介質(zhì)板表 面大面積鋪地，通過過孔與接地面連接。 仿真頻率：1.2GHz1.8GHz 仿