本文介紹采用ADS2009仿真軟件進行直流仿真，其用于測試設計電路的交流工作特性和S參數仿真。
一、交流仿真
交流仿真可用于分析電路的小信號特性，也可分析電路的噪聲特性，在進行小信號交流仿真時，系統都需要對電路進行直流仿真，找到非線性器件的直流工作點。通過對電路的小信號分析，可以得到電路的如電壓/電流增益、跨阻等一系列參數。

圖表 1 AC仿真原理圖

圖表 2 仿真結果
二、S 參數仿真
在進行射頻或者微波電路設計時，節點電路理論已不再適用，需采用分布參數電路的分析方法，而微波網絡分析方法是目前較為流行做法，對于微波網絡而言，S參數是表征微波網絡傳輸特性的一個非常重要參數。
2.1 S 參數仿真的一般流程
1、 選擇器件模型并建立原理圖；
2、 確定S參數仿真的IO端口，并添加終端負載控件Term分別連接在電路的IO端口；
3、 添加S參數仿真控件，并設置S參數仿真參數；
4、 若需要掃描變量較多，需添加parameter sweep控件，同時也可以根據需要添加其他控件用于計算；
5、 若需要計算噪聲或者是群時延，需要在noise選項卡中勾選calculate noise和parameters選項卡中勾選group delay；
6、 運行仿真；
7、 在數據窗口中查看仿真結果。
這里以一個簡單的低通濾波器來介紹一般的S參數仿真，低通濾波器為3階Chebyshev型濾波器，帶內紋波為0.5dB，截至頻率為3.0GHz，設計后的原理圖如下：

圖表3 chebyshev低通濾波器仿真原理圖
根據上面的原理圖，在ADS中建立相應的仿真原理圖：
1、 電容和電感元器件可以采用集總參數元件，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面板內添加S仿真控件，并設置相應的頻率掃描范圍、掃描類型等參數；
3、 添加兩個Term終端，連接在輸入端口和輸出端口；阻抗可默認采用50 Ohm；
4、 也可以省略2-3步驟，采用菜單insert->Template->S params來插入S參數仿真模板；
5、 按照上圖連接原理圖并仿真；
6、 在數據顯示窗口中查看仿真結果。
上述的低通濾波器的仿真結果如下：

圖表4 仿真結果
2.2 調諧
對于一個初步完成的設計，可能仿真的結果離預期存在一定差異，往往需要通過對電路做一些微小改動才滿足要求，同時在很多情況下，需要知道某一個元件的變化對整個結果的影響趨勢，這可以通過調諧來實現。
例如我們設計的一個5階chebyshev低通濾波器，帶內紋波為0.5dB，截至頻率為3GHz，根據要
求設計的原理圖如下：

圖表5 5階低通濾波器調諧原理圖
與S參數仿真類似，建立好仿真原理圖后，進行S參數仿真，仿真結果可以看到在電感和電容未進行調諧前截至頻率在3GHz，下面通過調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行調諧的元件L1，彈出的對話框中勾選中L1，確定后在tune parameter窗口中就會顯示L1的可調諧狀態，如下圖所示，同樣選中所有元件，讓其全部進入可調諧范圍，此時tune parameter窗口顯示所有元件待調整；
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諧；
4、 在tune parameter窗口中可調整元件的調諧范圍、步進和調諧參數變化類型；
5、 在進行調諧前將數據顯示窗口大小調整合適，并將history選擇ON模式，以便觀察調諧時曲線的變化趨勢；
6、 移動滑塊或箭頭可以改變元件的值，同時也可以看到S21的變化趨勢。
7、 調諧完成后可以update至原理圖中。

圖表6 調諧窗口

圖表7 調諧S21曲線變化趨勢圖
從仿真結果可以看到，增大電容C1 C2 C3的值，濾波器的截至頻率減小，低頻通帶帶寬相應減小，高頻衰減較原始變大。
2.3 優化
優化是ADS提供的一種計算電路參數的一種方法，優化需要設定一個目標值，同時設定ADS可供
調整的變量，通過對設定變量的掃描，計算出符合目標值的一組變量參數。優化的控件面板是Optim/Stat/Yield/DOE，面板包含了優化、統計、良品率和專有設備仿真控件。

圖表8 優化控件和面板
對一個電路的優化往往需要包含優化控件、GOAL控件，GOAL控件即用來設定希望電路達到的一種目標狀態。以下我們以一個5階低通濾波器來說明優化的過程。優化的目標是在5GHz的S21值最大為-40dB，在3GHz和2.4GHz ±0.1GHz范圍內的S21的最大值為-1dB。
1、 在5.2節建立的5階低通濾波器的原理圖中，將每個元件的值均用一個變量代替，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個變量，并賦初值，如下圖所示，并在Tune/opt/stat/DOE setup中優化選項卡里設置使能優化選項、變量變化類型和相應的變化范圍；
3、 添加優化控件，控件設置一般按照默認設置即可，需要改變的一是優化方法（Optimization Type），二是優化的次數（Maxlters）。在優化方法下拉菜單中有很多優化方法，它們是基于不同的算法的。一般如果自己對變量的初值不確定時可以用Random，它是隨機的，適合于大范圍的搜索；如果結果與預期比較接近，那么可以改為Gradient，它會在一個小范圍去改變變量值。還有一個Discrete，它的值是離散變化的，適合于諸如電容、電阻、電感等器件的實際模型。
4、 添加目標控件，按照要求設置相應的值。
5、 優化完成后通過simulate->update optimization values更新優化的值。

圖表 9 設置優化變量窗口
設置后的原理圖：

圖表 10 優化原理圖
仿真后的結果如下圖：

圖表 11 優化結果
2.4 容差/良率分析
之所以要進行容差分析，是因為任何電子元器件均存在一定的誤差，如電感、電容的精度等。例如一個標稱為2.0nH±0.1nH的電感，代表的意思產品有99.74%的概率落在2.0nH±0.1nH范圍內，即滿足6σ，σ是標準偏差或者說方差，當產品隨機變量值與平均值之差為6σ時，產品的良品率為99.74%，這是統計學范疇。
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）分析進行，通過容差分析可以知道元件的誤差對電路性能的影響程度，以一個帶通濾波器為例說明容差分析的方法。如下是通過優化設計的一個帶通濾波器，要求在2.4GHz-2.5GHz通帶內插損小于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，設計原理圖如下：

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果如下

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

圖表 14 容差分析結果
藍色曲線是濾波器需要符合的模板，仿真可以看到C1和C3對濾波器的通帶內的衰減平衡，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不能很好地應對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計電路通過給定標準的數量和總的數量的比率，但是對于一個電路設計來說，可能存在的設計總量是無法估計的，所以良率分析均是采用一種有限數量的試驗來進行分析，當試驗的次數越多，就越接近真實情況。
上面的帶通濾波器優化不夠完善，我們來分析一個之前設計的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內插損為1dB，回波損耗最小為15dB，4.8GHz-6GHz的插損最小為10dB，根據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，并設置相應的Yield的SimItem數量為
1000，并在parameters選項卡內勾選save data all for all trials以保持所有的試驗數據。設置
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可變變量，這里分析三個元件對良品率帶來的影響。設置原理圖如下：

圖表 15 良率分析原理圖
仿真結果如下：

圖表 16 良率分析結果
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果
在原理圖中添加了senshist控件，它用來統計仿真結果中，某一個變量對良品率帶來的影響程度，如在原理圖中該控件的設置為sensHist1=histogram_sens(dB(S(1,1)),l1,-15,2.4GHz,2.5GHz)，代表的意思是l1這個變量，在2.4GHz-2.5GHz頻率范圍內，對S11值小于-15dB的影響程度，從兩次仿真結果來看，當l1的值偏大的話，對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，其得到的良品率為93%，結果如下圖所示，可以看到在不改版器件精度的情況下，增大L1的值對良品率有很大幫助。

圖表 18 修改L1對良率影響

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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