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实验二 直流仿真和建立电路模型

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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

l 建立一个考虑寄生参数的通用BJT模型，并保存在自电路中。
l 设置并运行大量DC仿真来确定其性能.
l 在数据显示中计算偏置电阻.
l 在DC仿真基础上建立一个偏置网络。
l 测试偏置网络。

目 录

1. 新建任务：amp_1900 …………………………………………………… 37
2. 设置一个通用BJT符号和模型卡…………………………………………37
3. 对电路添加寄生参数和连接部分…………………………………………39
4. 观察缺省符号………………………………………………………………39
5. 设置设计参数和内建符号…………………………………………………40
6. 用曲线指示模板测试bjt_pkg的子电路………………………………… 42
7. 修改参数扫描模板…………………………………………………………43
8. 在Beta=100和160时仿真…………………………………………………44
9. 打开一个新设计，并在主窗口中查看你的所有文件……………………45
10. 对直流偏置的参数扫描进行设置并仿真…………………………………46
11. 计算共射电路偏置电阻Rb， Rc的值………………………………………49
12. 偏置网络……………………………………………………………………50
13. 对直流解作仿真和注释……………………………………………………51
14. 选学：温度扫描……………………………………………………………52

步骤
1、新建任务：amp_1900
a。 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bjt_pkg为名保存它,并在Option→preferences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.

c。 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）。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=0.01Ω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。

4、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View＞Create / 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View＞Create / 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View＞Create / EditSchematicSymbol后直接会出现下面的三端矩形框.用命令Select＞Select All，点击删除图标或按Del键可删除默认符号.

c. 点击View＞Create / Edit Schematic回到原理图。

5、 设置设计参数和内建符号
a． 点击File＞Design 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。

c． 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File＞New 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。

d． 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Insert＞Templates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0μA至100μA以10μA步长改变扫描参数IBB的值,如图所示。

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.（实验报告）

b． 再次对Beta=160仿真，直接在原理图上修改即可.注意仿真值的变化。（实验报告）

c． 验证Beta=160，VCE=3V时的仿真值，此时假设输入功率为10mW，IBB=40μA，IC=3mA.如果不正确就检查你的设计。（实验报告）

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。

c． 在文件浏览（File Browser）窗口中,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File＞Parameters，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.

b． 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． 把元件连接起来并接地（使用接地图标）.

e． 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10μA到100μA,以10μA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。

对数据仿真，绘图.数据显示窗口出现后，选择，应放置VBE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。(实验报告）

关于结果的备注：正如你所见,3V电压加于元件，产生40μA电流使VBE电压为799mV，集电极电流为3。3mA。
h． 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Ctrl＋C键拷贝该方程，用Ctrl＋V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。全部直流电压为5V，因此，3V加于VCE，剩下2V加在集电极电阻上。

d． 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。

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（Insert＞text或快捷键）为列表添加说明符号，如下图所示。(实验报告)

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Simulate＞Simulation 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)。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。

点击菜单命令Simulate＞Annotate 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。（实验报告）

c． 清除注释：使用菜单命令Simulate＞Clear 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）。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。

c． 插入VC和VBE的节点/引脚符号。

d． 使用菜单命令Simulate＞Simulation 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。

e． 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。

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