实验6滤波器：设计指导、瞬态和矩量法仿真.doc

95实验六、滤波器：设计指导、瞬态和矩量法仿真概概 述述这节将说明在 ADS 中创建滤波器和使用瞬态仿真器的基本操作。设计指导 是用来构建一个集总元件滤波器，矩量法（Momentum）是用来测试微带滤波 器。任任 务务运用设计指导构建一个 200MHz 中频低通集总参数滤波器 构建一个 1.9GHz 射频带通微带滤波器 在微带滤波器中完成瞬态分析 用矩量法（Momentum）仿真微带滤波器 选学DAC（数据通路元件）练习目目 录录1.改变项目，开始运行设计指导 96 2.放入一个 LPF（低通滤波器）Smart 元件并设计滤波器 97 3.1.9GHz 微带带通滤波器 99 4.在微带滤波器中的瞬态分析 101 5.在电路版图（layout）中进行矩量法（Momentum）仿 真104 6.选作：数据通路元件（Data Access Component）的阻抗响 应11096步步 骤骤 1.改变项目开始运行设计指导。改变项目开始运行设计指导。 以下步骤将说明一个设计指导怎样既快速又准确地生产一个滤波器。其方 法与 E-syn 类似，但对期望的响应和拓扑结构有更多的选择和更强的控制。 a进入 ADS 主窗口，然后点击 File>open Project。 b如果你被提示保存所有你当前的文档，选择 Yes to All，然后打开你先 前的任务 system_prj。 c新建一名为 filter_lpf 的原理图。 d确认该原理图是当前你的屏幕上唯一打开的原理图。现在我们将通过 以下三个步骤开始该过程。 点击命令 DesignGuide>Filter。出现对话框后，选择 Filter Control Window 并点击 OK。然后找到 新窗口 Filter DesignGuide。在下一步，你从面板放入一个 smart 元 件之后该窗口将被激活。97在滤波器设计指导控制窗口中点击 Component Palette All 图标 （如 xia 下图所示） 。在你的原理图窗口中会立即出现元件面板。 现在你就可以放入 smart 元件了。2.放入一个放入一个 LPF（低通滤波器）（低通滤波器）Smart 元件并设计滤波器。元件并设计滤波器。 a在即时（prompt）对话框出现后，在 Filter DG（DesignGuide）面板中 选择 low-pass filter DT（dual terminated双终端）并点击 OK。然后 在原理图中放入元件。按 ESC 键来结束命令。b把滤波器设计指导窗口放到原理图旁边，激活后点击 Filter Assistant 标 签栏。如下图所示的操作可将其激活。然后即可进行详细操作了。c在滤波器设计指导窗口（如图所示） ，输入以下三个滤波器的详细特性 参数。 (波纹）Ap(dB)=0.1 (通带）Fp=0.2GHz (阻带）Fs=1.2GHz98d设置好滤波器的响应后，点击 Redraw 看响应曲线的改变，这是一个巴 特沃斯响应为系统的中频输出提供一个集总参数滤波器。e点击 Design 按钮，用以设计滤波器。 f在你的原理图上，Smart 元件具有你所要求滤波器的特性，而且滤波器 电路已经创建好了。进入（push out）DT 元件来检验电路。然后，而 跳回到上层电路（pop out） ，如图所示g进入 Simulation Assistant(仿真辅助)。设置扫描从 0Hz 到 1.3GHz，步 长为 10MHz，然后点击 Simulate 按钮查看结果：一个模版会运行 S 参 数仿真并显示结果。99h检验数据显示。移动 Marker（标记）M1 到 100MHz 处，注意 spec 曲 线（A 到 B）和工作情况表，它会比较输入参数和结果-20dB 阻带 在 800MHz 处，这已经能满足我们的系统要求。i 检验完数据后，使用 ADS 主窗口命令 File>Close all 来保存和关闭所有 的窗口。在后面的课程中我们还将用到这个滤波器。下一步，我们将 构建输入滤波器。3.1.9GHz 微带带通滤波器。微带带通滤波器。 在以下几个步骤，你将运用 ADS 电路仿真器构造和仿真一个耦合微带线 滤波器。其后，你将用它生成版图（layout）并运用矩量法（Momentum）仿真。 这一步只是简要展示在一例子中矩量法（Momentum）是怎样工作的。 a新建一个原理图，命名为 filter_1900. b如右图所示，从 TLines-Microstrip 面板中放入一个 MCFIL。因为两端 元件是对称的（CLin1 和 CLin2） ，通过键入 W、S 和 L 参数（见图示） 或通过第一个耦合节再拷贝它，这样可以省时间。然后，插入一个中 间耦合节（CLin3）并输入它的值。100c在两终端插入端口连接器，如图所示。d从微带面板中，插入 MSUB（substance definition基片定义参数） ， 如图所示。如没有其它设置要求，将使用默认的基片参数。注意：在滤波器 S21 响应中滤波器的 S 参数仿真(S-21)是作为参考显 示在这里的，此时不需要用 S 参数仿真器来仿真。e在原理图中，点击 File>Design Parameters.当对话框出现后，选择 ADS 内建带通滤波器符号；SYM_BPF 并点击 OK。101e再次保存设计图以保证所有的设置都保存了。该滤波器将在以下的步 骤中和以后最终的系统设计中使用。4.在微带滤波器中的瞬态分析在微带滤波器中的瞬态分析 a用一个新的名称 filter_trans 保存原理图（filter_1900） 。 b通过删除(deleting)端口连接点修改原理图，如下图所示。 c从 Source-Time Domain（时域源）面板中选取 VtSine 作为输入（确保 接地） 。作瞬态分析时推荐使用时域源。102d在输入和输出端插入一个 50 的电阻，并通过它接地。 e标注 Vin 和 Vout 点（如图） ，电路图应该与下图相似。f从 Simulation-Transient 面板中，调入 Transient simulation controller（瞬 态仿真控制器） ，并如图所示设置 Stop Time（停止时间）的 MaxTimeStep（最大时间步长） 。仿真将从时间 0（默认）开始经过 15 个输入信号周期(8ns)后停止。另外，时间步长将以最高频信号成份的 两倍速率（Nyquist 定律）来取样，此处显示的是第 15 次皆波。g仿真并在仿真以后，插入一个 Vin 和 Vout 的矩形图，对每条轨迹进行 编辑（Trace( Options） ，然后 Place symbol at data（为数据添加符号） 这将显示发生在仿真中的时间点。103h放大（Zoom) 5ns 后的平面图，把 Markers（标记）放在 Vin 和 Vout 的 峰值处，如图所示。i 写一个方程式（如下图）来计算通过滤波器的延迟：Marker- difference。运用 indep 函数会计算标记之间在 x 轴上的差（独立变量 =time） 。j 插入一个 Marker_vol 的列表并且运用曲线选项(Plot Options)去掉独立数 据（如图） 。其值是程序开始以后通过滤波器的延迟。根据你需要，放 大观察和放置 Marker 的地方，所得值有细微的差别。如下图，通过该 滤波器的延迟是 44ps。104k保存原理图但不要关闭。保存和关闭数据显示。下面将用矩量法 （Momentum）对滤波器仿真。5.在电路版图中进行矩量法在电路版图中进行矩量法(Momentum)仿真仿真 关于矩量法(Momentum）课程备注如果你希望在后面学习矩量法 (Momentum)课程，你可先跳过这一步骤进入下一个实验或选学的 DAC 练习。 a用新的名称 filter_mon 保存 filter_trans。 b通过点击原理图窗口命令：Layout>Generate/Update Layout，把 filter_mon 从原理图转化到电路版图。c当下一个对话框出现时，确保开始元件是 P1(从原理图来的端口连接 1） ， 这样从左到右电路版图才能正确形成。点击 OK，你将看到另一个对话 框，它显示电路版图窗日中产生的所有元件。105注注 意意：没有 MSUB，将只是 5 个元件而不是 6 个，它们都是对的。 d当电路版图打开时，检验你是否得到三节耦合线和两个端口。如果此 时你放大一个端口（如图） ，你将看到它连接到金属的边缘。对于 Momentum 解决方法，并不需要将端口连接在线的中间只需接在两头 即可。当电路版图生成后，矩量法端口能被插入布线图。e下一步是在 Momentum 定义基片参数。为完成该步骤，使用如图所示 的版图命令改变原理图 MSUB 定义： Momentum>substrate>update 106From Schematic。f现在在矩量法中验证定义的 10mil 基片（substrate） 。点击 Momentum>Substrate>Create/Modify,在对话框中你将看到 MSUB 的值。 如果这些设置正确，点击 OK。g你也可以查看一 Metallization Layers 标签，通过它们可以看到在版图中 层是怎样 被标识的：cond 是金属带层。但是不要再作任何改变。107h仿真前，关闭 Momentum 的边缘网格功能可以更快得到结果。点击： Momentum>Mesh>Setup.当对话框出现后，注意到有许多关于网格的功 能设置。但是现在，关闭边缘网格（不要勾上复选框） ，然后点击 OK。在矩量法(Momentum)分析过程的备注步骤的顺序：计算基片参数定义 （格林函数） ，创建网格或栅格图(mesh or grid patten） ，然后仿真。 i点击 Momentum>Simulation>S-parameters,用以仿真。对话框出现后，如 图输入扫描， 从 1GHz 到 3GHz 扫描共有 201 个扫描点。点击 Update，它将在频率计划（Frequency Plan）中出现。然后点击 Simulate 按键，询问对话框出现后点击 Yes 查看状态窗口，适合的扫描类型是默 认的，并且通过求解被选择的点，其适合曲线算法将运行电磁（EM)。108j当 ADS 数据显示打开后，注意到 Momentum 模板看上去与 ADS 有点少 许不同这是正确的。放大 S21 平面图。如图所示一样，期望的响应与 你从电路仿真器所得到的很相似，由于求解模式的不同又具有许多的不 同之处。同样，放大（zoom)可看到网格（mesh patten)。k下一步，沿着滤波器画一个简单粗略的矩形（图标如下所示） 。矩形大 约 2000mils 长，60 或 70mils 宽。画矩形时，注意如图所示光标从(X，Y) =(0， 0）开始画。同样，你可以测量对象，方法是用光标点击版图并观 察值的变化。这一步的目的是说明 Momentum 能分析滤波器与矩形（金 属）的耦合。在此末端，滤波器与矩形的距离约为 lomils；L：约1092000mils 长或比滤波器稍长；点击并移动鼠标，观察窗日底部（如左图 所示）的变化，或者通过以下方式测量对象：Insert>Measure 并点击要测 量的两点。l当矩形画在版图附近后，运行另一个 Momentum 仿真，点击 Momentum>Simulation> S-parameters。当对话框出现后，简单改变数据组 名称如图为 filter_mom_strip，然后点击 Apply（应用）和 Simulate。m这个仿真可能花费的时间比较久（几分钟） ，因为现在有更多的未知网 格单元需估计，因此需要更多的计算时间。当数据显示出现后，你能看110到它的响应在通带附近或边缘有一谐振，其位置依赖于你设置的矩形的 尺寸及位置。这是一种只有矩量法才具有的仿真。观察 S21 结果然后关 闭版图和数据显示。不需要保存此设计。n你现在有两个滤波器，它们在以后的 RF 系统中将被用到。它们是：1) filter_lpf这是先前建立的 200MHz 低通滤波器。2) filter_1900我们己经运用瞬态仿真器和矩量法(Momentum)对这种微带耦合线滤波器进 行了仿真。现在可关闭和保存所有设计和窗口。6选作选作数据通路元件的阻抗响应数据通路元件的阻抗响应 一个 DAC 元件是一个基于文件的元件。它包含不同的数据格式，有的来自 测量、表格数据或其他 ADS 能识别的有效文件类型的数据。在本步骤中，你将 创建一个有在一定频率范围内变化的复数阻抗值的简单文件。记住 DAC 能用 于创建如下模型：频率敏感性阻抗，变容管，步长函数（step function)，源比特 序列（bit sequences for sources） ，时域序列（time domain sequences）等。许多 时候用文件比用一个长方程或在原理图上列表更为有效。总的来说，DAC 工作 就是这样：它是一个在数据目录中指向一个文件的元件。在这个例子中，你创 建一个文件，它被用于 ADS 元件阻抗参数仿真器很容易读取这个文件。 a 打开一个新的原理图，命名为：Z_DAC。 b 参照如下原理图：先从 Simulation-S_Param 面板放入一个接地终端 （Term） 。然后，放入 Eqn Based linear 面板中基于方程线性端口的 Z1P_Eqn (Zlport)。然后放入一个 S 参数控制器和一个从数据项目（Date items)面板中取出的处于默认状态的 DAC（状态未设定） 。111c 按一个低通滤波器的方式设置 S 参数仿真：如图所示以 10MHz 为步长 从 10MHz 到 20OMHz，然后再次保存原理图。 d 在 Windows 操作系统中，从开始>所有程序>附件中打开 Windows 自带 的记事本（Notepad） 。如果记事木是 ADS 默认文本编辑器，则可以用 ADS 主窗口命令(Options>T'ext Editor）打开。DAC 文本文件的备注：你不能使用格式如写字板(Wordpad)的程序，记 事本（Notepad)是可以的。 e 写一个 mdf 文件（多维数据文件） （如图） ，保存在数据（DATA)目录中， 命名为 z_dac.mdf。mdf 格式文件的备注：如果文件是以.txt 格式保存的，需要时运用 Windows 文件浏览器改变其名称。在文件中第一列中是 4 个频率点，第二列 和第三列是每个频点阻抗的实部和虚部。 f 在原理图上，编辑 S 参数控制器。在 Parameter 标签栏中，设置计算 z 参数而不是 S 参数。在 Display 标签栏中，检查扫频变量(Sweep Var)， 开始（Start） 、截止（Stop） 、 步长（Step）等，并设置它们如下面所 示，以 10MHz 为步长扫描频率从 10MHz 到 200MHz。你将得到所有频 点的插入数据。g 在原理图上，给 ZIP 输入数值：Z1，1=fileDAC,my_z 。式中， my_z 是指文件中的复数值。112h 如图所示编辑 DAC：输入文件名，选择类型，等等。同时， iVar1(my_freq)是独立变量名，iVa1I(freq)是独立变量值。当“f req”被 扫描时， “my_f req”将在文件中被索引并且 DAC 将返回一个在扫描范 围内“my_z”插入的复数值。113i 仿真并产生两条细线，如图所示，z（1，1）的实部和虚部曲线。正如我 们看到的，Zport 能被用作所需的任意频率敏感元件。对于多个元件，简 单地创建各个元件的文件，并把它输入各个元件就可以了。114附加练习：附加练习：1.利用经验法则：BW=0.35/r.s,计算在瞬态仿真中滤波器的带宽。上升时间应 从时间原 点到大约 6ns，可用 Marker 和方程式来计算。2.试着用设计向导来计算其它的电路型式或其它一些设计。3.创建一个频率敏感电感的 DAC，并在一个简单的 CLC 滤波器中对它进行仿 真。该 DAC 将包含滤波器在各个频点的值。