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72实验五、S参数仿真与优化概述本练习继续进行amp_1900设计。它将讲述如何对各种S参数进行设置、运行、优化以及对结果绘图。此外，优化器也用于创建阻抗匹配网络。任务测量增益和阻抗设置并使用扫描计划，参数扫描和阻抗方程计算匹配网络的值对匹配网络调整优化处理，以满足设计目标使用噪声和增益圆图目录1.设置理想元件电路和仿真…………………………………………………732.仿真并对数据绘图，其中包括修正的读出标记…………………………743.写出改变终端阻抗的方程…………………………………………………754.在数据显示中计算L、C值………………………………………………755.代入L和C计算并仿真……………………………………………………766.添加匹配元件L和C，仿真，并对结果绘图……………………………787.调整输入端匹配值…………………………………………………………798.添加输出匹配元件…………………………………………………………809.设置优化控制器和优化目标………………………………………………8010.使元件能够进行优化处理（启动元件优化处理）………………………8211.对结果绘图…………………………………………………………………8412.更新优化值并禁用Opt函数………………………………………………8613.对最终匹配电路仿真………………………………………………………8814.带增益和噪声圆图的稳态方程……………………………………………8915.选学—对S2P文件读/写S参数数据……………………………………9173步骤1.设置理想元件电路和仿真a．以s_params名保存上一原理图设计（ac_sim）b．按如下步骤修改设计以匹配原理图：删除AC源和控制器，并删除测量方程、参数扫描以及所有无用变量等。从SimulationS_Parameter模板（Palette）中插入终端负载（Term）。从集总元件模板中插入两个理想电感：DC_feed以隔离RF与直流通路。插入两个理想的隔离（DCblock）电容。点击Name图表删除节点名，使其为空，再点击节点名（Vin和Vout）。对于S参数仿真，端口终端（Num1和Num2）本身提供了节点。c．插入一个S参数（S_Parameter）仿真控制器，并设置Start=100MHz，Stop=4GHz，Step=100MHz。d．保存（Save）设计。742.仿真并对数据绘图，其中包括修正的读出标记a．确认数据组名为s_params,然后仿真。b．仿真完成后，引入S21（dB）的矩形图，在1900MHz处插入一标记，并确认此处增益为20dB。c．引入S11的史密斯圆图（Smithchart），并在1900MHz插入标记。选中读出器（readout），按方向键可移动标记。d．编辑标记读出器（markerreadout）（通过双击标签栏）。在史密斯标签栏中把Zo改为50Ω753.写出改变终端阻抗的方程a．在原理图中，对端口2写方程，使其终端Z在频率大于400MHz时阻抗为35Ω：Z=iffreq400MHzthen50else35endif。b．仿真，然后引入PortZ（2）的列表（list）。检查在频率大于400MHz时Z是否为35Ω。c．把端口2阻抗重置到Z=50Ω.4.在数据显示中计算L、C值有偏置电路的传输和反射特性表现为20dB增益，但在输入口处与50Ω有失配。直流供电和隔离（feedsandblocks）也是理想的并需要实际元件值。a．在数据显示器中，写一方程XC，对应为1900MHz处的10pF的容抗。然后，对方程XC列表（list），如下图所示。如果需要的话，用PlotOptions命名列表。作为低电抗，10pF值的电容为一隔直电容。76b．改变方程中的电容值，检查XC列表是否自动刷新（例如把电容值改为20pF，XC值变为-4.188）。c．创建一个表示电感值和感抗范围的表格。L_val的扫描范围从1nH到200nH，步长为10nH。在ADS中，两个冒号句法表示未定计划（wildcard）（对所有值），也可用来表示范围，如下所示。方括号用于生成扫描。写好方程并列表后（如下图所示），下拉列表的滚动条，随着电感值增加，1.9GHz处的电抗值也增加，因此，120nH对于DC馈电已足够（RF扼流圈）。关于方程和表格的备注：你可将方程和表格拷贝至另一数据显示（CtrlC/CtrlV），或者使用命令FileSaveAsTemplate以模板格式保存数据显示文件，这样可被其他任务引用。d．保存（Save）当前的数据显示文件和原理图。5.代入L和C的计算值并仿真a．以新文件名s_match保存原理图b．把两个隔直电容的文件名（DC_Block）改为C，它们将自动变为集总参数电容，如下图所示。并把两电容值均设为C=10pF。77c．以相同方式改变理想电感（DC_Feed）,并把值都设为L=120nH。根据XL和L_Val表格栏，1900MHz处电抗为1.5KΩ，在设计中，其值在此频率点是合理的。d．现在原理图应与下图相似，检查各元件值并仿真。e．在数据显示中，对传输参数（S12和S21）和反射参数（S11和S22）数据绘图并作标记，如下图。注意增益曲线比较平坦，泄露也适当，但阻抗并未匹配。在下一步骤中，你将对输入进行调谐使之与50Ω匹配，并对输出进行优化处理至50Ω匹配。786.添加匹配元件L和C，仿真，并对结果绘图。考查S11数据，并联一个电容C将把标记点朝50Ω恒定电阻圆图靠近。一个串联电感也可使其沿50Ω圆朝Smithchart圆心移动。初始选择的L、C值要使电路无损耗地通过1900MHz。a．在输入端添加串联电感L=10nH和并联电容C=1pF,如下图所示。对该实例，将其重命名（Rename）为L_match_in和C_match_in，如图所示。记住F5键可移动文本框。b．设置仿真步长为10MHz，仿真并查看响应。注意增益仍然适当，泄漏（S12）也很好，但输入阻抗S11仍未靠近50Ω，下一步将使用调谐器使输入端匹配更接近50Ω。797.对输入端匹配值调谐a．在原理图中，同时选中元件L_match_in和C_match_in,通过（Simulatetuning）或使用图标来开启调谐器（tuner）。然后把原理图窗口移到屏幕底部b．在调谐器控制中。选择Details模式。如下所示设置仿真：AfterpressingTune,并把TraceHistory设为0。把Min/Max范围也设为C=0到2，L=0到40，如下所示。C的步长（stepsize）设为0.01，L设为0.1。c．此时原理图窗口在屏幕底部，把调谐控制对话框移到数据显示器旁，以便你能看到Smith圆图。现在，对L、C值调谐（增加L，减小C）并点击Tune，就可以观察随之改善的结果，在某些频率点，S11会很接近50Ω，继续以上操作直到你得到的结果与下图相似。d．在调谐器中点击Update，并查看原理图中L和C的元件更新值约为L_match_in=14.3nH,C_match_in=0.4pF,它们在本步骤中不必很精确。然后点击调谐器中的Cancel按钮。在下一步中，你将精确的设定L和C的值。808.添加输出匹配元件现在输入阻抗已很好地和50Ω匹配，增益也有增加，但输出阻抗（S22）却几乎是开路的。因此，需要在输出端引入一相似的拓扑结构并对其响应仿真。a．选中输入端L和C，使用Copy图标（如下所示）生成一个对元件的拷贝。然后拷至输出端附近，删除导线，并按下图所示把它们接入输出端。b．仿真并用S22曲线上的Marker检查在1900MHz处的响应。你的数据应与如下所示数据相似，即S22此时应更接近50Ω，但是S11已改变。在放大器设计此频率点处，用优化处理完成匹配过程比进行来回的调谐会更有效。c．保存设计组但不要关闭窗口。9.设置最优化控制器和优化目标a．以新命名s_opt保存原理图设计s_match.b．在Option/stat/Yield面板中引入optimizationcontroller(优化控制器)和goal（优化目标），如下图所示。81c．双击goal进行编辑。在对话框中输入如下设置，每完成一设置点击Apply一次，全部完成后点OK。Expr:dB(S(1,1))SimInstaceName:SP1Max=-10(S11至少为-10dB才能满足优化目标)RangeVar=freqRangeMin=1850MHzRangeMax=1950MHz关于引号标记备注：值的范围无需用引号因为它们是值而非字符串（strings）（变量）。d．复制S11的目标——选中并使用copy图标。e．在屏幕上改变goal表式为”dB(S(2,2))”，如右图所示。现在，你的输入和输出端各有一个匹配目标。82f．设置OPTIM控制器：对本实验的练习，大多数默认值可保留，包括随机类型。但是要编辑控制器，并设置maxlter=125和theFinalAnalysis=”SP1”。这些设置意味着为达到目标,优化器将重复运行125次。最终的分析也会自动随最后一个值运行，这样你无需运行另一个仿真，而可得到结果曲线。关于Optim参数设置的备注——SetBestValues=yes表示原理图中的元件可以随最佳优化值更新。Save设置会保存所有数据组的数据，在某些情况下，这些操作涉及大量数据，占用大量内存。默认值可面向所有目标和所有原理图上的可用元件（下一步将讲到），但是你可对OPTIM控制器进行编辑，选择要使用的目标或变量。所有这些设置在HELP（手册）上均有解释。10.使元件能够进行最优化处理（启动元件最优化处理）a．编辑（双击）电感L_match_in，出现对话框后，点击Tune/Opt/DOESetup按钮，在Optimization标签中，电感的OptimizationStatus设置为Enable，如下图所示，输入连续范围从1nH到40nH。点OK，元件文本框会显示opt函数和范围。83b．继续对其它3个匹配元件进行Enable设置，如下图所示。用对话框对每个元件进行编辑，你也可对opt函数和大括号中范围在屏幕中直接输入。此外，也可使用F5键按需要移动元件文本框。c．按下图检查电路并仿真，查看状态窗口（statuswindow）。84d．状态窗口报告了仿真进程。如果满足目标，则EF（误差函数）=0。如果EF变到很接近0值，表示迭代（iteration）运算成功。对EF=0（或某些情况下接近0），下一步便是更新元件值并绘图。如果你的EF不等于0，则检查原理图并再试一次。对于优化过程中EF不为0的备注——如果一次优化后目标不能满足，你可适当降低目标或预期的误差要求。也可找到指标位于优化范围边缘的元件，扩展其优化范围，也可尝试另一优化方案，增加重复次数或使用另一拓扑结构。11.结果绘图a．在数据显示中，引入矩形图。然后如图所示添加完整的S矩阵（dB）查看所有4个S参数。通过这种方法你可很快地检查结果。你的精确结果可能与下面有所不同，但是应该会满足优化目标要求。85b．在Smith圆图上对阻抗S11和S22绘图。改变Smith标签栏中标记读出器中Zo=50。如你所见，阻抗与50Ω并不十分接近，但是，首先你必须以优化值更新原理图。8612.更新优化值并禁用OPT函数a．点击命令SimulateupdateOptimizationValues。现在被优化的元件应有最终（最佳）优化值作为名义值（nominalvalue）。例如，输入端电感可能与右图相似——你的元件值可能会因为随机类型和无初始状态原因而有微小的不同。87b．禁用一个元件。编辑（双击）电感L_match_in，然后点击Tune/Opt/DOESetup按钮。在Optimization标签中，电感的OptimizationStatus设置为Disable如下图所示，并点击OK。注意：元件函数从opt变为noopt，这意味着该元件将不在优化中使用。你