实验直流仿真和建立电路模型

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

●建立一个考虑寄生参数的通用BJT模型，并保存在自电路中。

●设置并运行大量DC仿真来确定其性能。

●在数据显示中计算偏置电阻。

●在DC仿真基础上建立一个偏置网络。

●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V AR（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。

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。

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。

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V AR（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。

h．对数据仿真，绘图。数据显示窗口出现后，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。

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。

i．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。

e．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。

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。

c．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。

你设置的值应合下图所示一样。如果不一样，就要检查你的工作，包括子电路。

d．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。