[感悟]振荡器相位噪声的ads仿真优化

[感悟]振荡器相位噪声的ads仿真优化 振荡器相位噪声的ADS仿真优化 韩金瑞，黄显核 (电子科技大学自动化工程学院，成都，611731，xianhehuang@uestc.edu.cn) 摘要:实际中通常希望通过计算机仿真的方法来预测振荡器的相位噪声，以便为实际振荡器的分析设计提供指导。 本文从Leeson模型出发，分析了高Q晶体振荡器相位噪声的特性及在电路中的规律，并深入研究了影响振荡器闪 烁噪声的器件参数及其提取方法。以50MHz振荡器电路设计为例，采用Agilent ADS进行计算机仿真得出电路的相 位噪声曲线图，并将其优化。根据仿真结果做出实际的电路，得到实测的相位噪声曲线。仿真和实测结果显示考虑 了器件参数影响的相位噪声仿真曲线更好得符合了Leeson模型。 关键词:晶体振荡器;相位噪声;参数提取 中图分类号:TB556 文献标识码:A Optimization of ADS Simulation on Phase Noise in Oscillator HAN Jin-rui, HUANG Xian-he (School of Automation, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China) Abstract: We always hope to predict the phase noise in oscillator through computer simulation,this work will supply a direction for our analysis and design on oscillators.In this paper,we will analyse the characteristics and regular of phase noise in high Q crystal oscillator from the Leeson model.Further research will be focused on device paramaters that influence flicker noise and the parameter extraction technique.Take a 50MHz oscillator as an example,the phase noise curve could be obtained and optimized by the computer simulation.Finally,we worked out the real circuit and got the measured phase noise curve.A good agreement between simulated data and Leeson model was achieved. Key words: crystal oscillator;phase noise;paramater extraction 来越广泛。在通信、邮电、航空航天、电子、仪器 仪表等等的设备中，振荡器输出频率的稳定度对设1 引 言 备的性能往往起决定性作用。而相位噪声就是频率 信号的短期稳定度，它从频域的角度来表示频率信随着信息产业的发展，各种振荡器的使用也越 号的短期稳定度。 收稿日期:2010-06-01;修回日期:2011-06-15 现代计算机技术(如Agilent ADS)为振荡器基金项目: 作者简介:韩金瑞(1987-)，男，山东省聊城人，汉族，电子科技大相位噪声的精确仿真和设计提供方便。本文从学自动化工程学院硕士研究生，研究方向为时频检测和控Leeson相位噪声模型出发，以50MHz晶体振荡器制。 通讯作者:韩金瑞，hjr870218@163.com.cn。 fFkT设计为例，着重分析影响振荡器闪烁噪声的晶体管c (3) ()(1),，Sf,,m参数和,并提出一种、提取方法。借AKAKPfffffsim 助ADS仿真结果和实测结果，我们对利用该提取式中:—振荡器相位起伏谱密度，Sf(),,m方法得到的器件噪声参数有效性进行了验证。 —放大器输入端的相位起伏谱密度Sf(),,m 2振荡器噪声研究 —有载品质因数，—拐角频率，QfLc振荡器的噪声是由于随机的以及不确定的噪 声共同作用产生的。一些因果信号导致振荡器频率 —振荡中心频率，—偏离载频频率ffm0的长期不稳定性，是一种慢变过程;而相位噪声则 是由于系统内部各种不确定噪声作用下所引起的 —输入激励功率，—噪声指数，FPsi信号相位的随机起伏，是一种频率短期稳定性。 k —玻尔兹曼常数， T—绝对温度。相位噪声的随机性使得在任一瞬间不能预知 其精确大小，导致振荡器输出信号中存在无用的信 根据单边带相位噪声和振荡器输出功率谱密度之号幅度和频率的起伏，这是极其有害的。因此，在 间的关系及闪烁噪声拐角频率与谐振回路半带f设计电路前必须分析这些噪声的特性及其在电路c 宽的关系，我们可以得出高谐振回路的fQ/2Q中的规律。 0L[3][1]单边带相位噪声解析表示式如下:1966年D.B.Leeson提出了反馈振荡器模型。 G.Sauvage于1977年从数学上证明了该模型是有效 ,的、正确的，并且给出了比李森模型更为通用的数fff11FkT2c00(1)(), ，，,f[2]m,2学表达形式。反馈型振荡器Leeson模型如图1所222fPfQQmsimLL,[3]示。 ,ff1FkT输出c0S(f)()(1), fff,，,,, (4),,m,,,mmcS(f) ,,m22fPQmsiL, ,谐振回路,,1FkT, ff,,mc 2Psi,,, 在这里我们可以将相位噪声与傅立叶频率的关系[4]图1 反馈型振荡器的Leeson模型 式表示为: Fig.1 Leeson model of feedback oscillator ,,,,4321(5)Sfkfkfkfkfk(),，，，，,,,,,43210 显然，模型是一个相位正反馈系统，它由放大,3不难看出高振荡器Leeson模型中存在(闪Qkf,3器和作滤波用的谐振回路组成。在振荡器稳定工作,1k烁频率噪声)，(闪烁相位噪声)，(白相kf0的条件下，根据模型可得到相位反馈表达式为,1 位噪声)。可见，产生于低频段的闪烁噪声，由于 频谱搬移的影响，会对整个电路的输出相位噪声造,,,,,,(t)=(t)+()t (1) 成影响。 注意，图1中的谐振回路通常是一个RLC电 3 闪烁噪声影响参数 路，即带通回路，根据信号传输理论可知:一个带 限的已调制RF带通信号，通过一个带通滤波器的 闪烁噪声又称为1/f噪声、低频噪声，是由半传输函数就等于调制信号通过该带通传输函数的导体表面氧化层中的陷阱对载流子的产生与复合等效低通滤波器的传输函数。结合放大器内部相位进行调制的结果，即由载流子数起伏所引起。这种噪声谱密度与振荡器输出端相位噪声谱密度之间噪声的电流均方值与频率之间近似有反比关系，常的关系，可以推导出输出取自放大器输出端的振荡用一次反函数表示。[3] 器功率谱密度函数为: 3.1 影响晶体管闪烁噪声的器件参数f120 (2),，SfSf()()[1()],,,,mm2 fQ2mL 作为一种有源半导体器件，晶体管是振荡器内一般来说，我们可以通过在两个不同的基极电部闪烁噪声的主要来源。为了便于分析晶体管内部流下测量相应的拐角频率，利用式(8)即可Ifbc的闪烁噪声，我们选取一种双极结型晶体管低频等得到和。 AKff[5](1)A,效电路，如图2所示。 f (8)fKIq,()/2bnfb 该参数提取方法仅需要测量闪烁噪声拐角频 率及直流偏置基极电流，提取方法简单易行。 3.3 噪声参数提取系统建立 1/f 为了提取晶体管低频噪声参数，我们要在两个 基极电流偏置条件下测量拐角频率，图3给出了测 量的原理图。 图2 包含输入输出端口的双极结型晶体管等效电路 Fig.2 Equivalent circuit of a BJT,including input and output terminations 通常双极结型晶体管的噪声特性是由多种噪 声源决定的，如果我们只关注噪声，则主要噪1/f 声源分布在基极-发射结上。因此，在大多数电路仿 真系统中，闪烁噪声利用和基极-发射结并联的1/f图3 1/f噪声测量系统框图 2噪声源(图2中的)来模拟，如 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 SPICE ,,inb Fig.3 1/f noise measurement system setupGummel-Poon模型和新的工业标准VBIC模型。该图中输入偏置通过一低通滤波器连接到晶体噪声源模型可表示为: 1/f管基极和集电极，该滤波器主要是消除偏置源的线Af—I2b噪声，50 Ohm电阻是为了确保放大器的高频稳定性。 (6)=Kif,,,nbff晶体管输出闪变噪声通过动态信号分析仪测量，从 而确定测量的拐角频率。 K式中A为噪声指数，为噪声系数，为基极直Iffb K流电流。A和就是我们用来建模的噪声参数。ff4 相位噪声计算机仿真和实测结果 3.2 噪声模型参数提取 1/f 振荡器相位噪声的计算机仿真，是通过编制线噪声模型参数描述的是低频噪声，常用的1/f 性频域电路的分析程序实现的。基于此编写的ADS的提取方法通常要考虑拐角频率f，即噪声水平等c 仿真软件是Agilent公司的专用高频电路仿真软件，于白噪声所对应的频率。对于测量得到的拐角频 我们用它对电路进行仿真，仿真用的晶体振荡器电率，我们可以利用(7)式得到闪烁噪声的固有拐 路原理图如图4所示。 f角频率 bn ffVGi,，，(11/2/), (7)bnmeasthinb f式中: —测量得到的拐角频率meas V —热电压(kTq/) th G —外部输入电导系数 in i —直流偏置基极电流 b f此处我们选用的这种形式是为了保持由闪烁噪bn 声和散弹噪声起主导作用的输出噪声特性的测量 结果有效性。 图4 ADS仿真用电路原理图 Fig.4 The circuit schemetics for ADS simulation 为了更好得验证提取的闪烁噪声的器件影响利用前面提到的提取方法，我们对图4中用到参数，我们在原理图中引入了一个噪声电压源，该的放大器晶体管模型进行噪声参数提取。将提1/f噪声源可表示为: 取到的噪声参数及噪声电压源加入到仿真电路中 得到的相位噪声曲线如图6所示。从图中可以看出，k0 [] (11),VV,noise该结果满足了Leeson模型中的三段特性。fnoise 式中的为噪声电压源电压参数，为噪声频kf0noise进一步的验证可以借助惠普公司的E5500相位率。通过在ADS中运行谐波平衡仿真，比较仿真噪声测试系统来测量图4中振荡器的相位噪声，实结果我们可以得到最优的值。 k0测得到的相位噪声曲线如图7所示。由图可见该振 通过运行谐波平衡仿真，我们得到未考虑1/f荡器的相位噪声符合Leeson噪声模型，并且与图6噪声参数的输出相位噪声曲线，如图5所示。从图中的仿真结果保持一致。 中可知，在较小频偏处的相位噪声曲线，其频率特 ,2性满足特性，而这是由白噪声造成的，并没有f 加入闪烁噪声，和Leeson噪声模型相差较大。 图7 50MHz晶体振荡器实测相位噪声曲线 Fig.7 Phase noise curve for actual 50MHz crystal oscillator 图5 未考虑1/f噪声参数的相位噪声仿真曲线 Fig.5 The simulation curve without consideration of 1/f noise parameters5 结论 本文主要从Leeson相位噪声模型的角度来进 行晶体振荡器的分析设计,实验结果显示，Leeson 图6 考虑1/f噪声参数及噪声源的相位噪声仿真曲线 Fig.6 The simulation curve withconsideration of 1/f noise parameters and noise voltage source 模型和实际结果比较接近，是比较有效的。这里我 们将理论模型、计算机仿真和实际调试相结合，着 重分析了计算机仿真中影响相位噪声输出结果的 有源器件参数，并提出了一种提取该参数的有效、 简单的方法。利用该方法提取的噪声参数的ADS 仿真结果显示，该相位噪声结果符合相位噪声 Leeson模型和实测结果，对相位噪声预测具有一定 指导意义。虽然取得了一定的进展，但利用计算机 仿真结果直接指导实际振荡器设计仍存在很多问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，仍然有很多工作要做。 参 考 文 献 [1] Leeson D B. A Simple Model of Feedback Oscillator Noise Spectrum[J]. IEEE,1966;54:329-330. [2] Sauvage G. Phase Noise in Oscillator:A Mathematical Anal- -sis of Leeson’s Model[J].IEEE Trans Instru Meas ,1977;IM -26(4). [3] 白居宪. 低噪声频率合成[M]. 西安:西安交通大学出版社，1994. Juxian Bai.Low Noise Frequency Synthesis[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University press,1994. [4] 赵声衡. 石英晶体振荡器[M].长沙:湖南大学出版社，1997. Shengheng Zhao. Quartz Crystal Oscillator[M]. Changsha: Hunan University Press,1997 [5] F.X.Sinnesbichler,M.Fischer,G.R.Olbrich.Accurate Extrac- -tion Method for 1/f-noise Parameters used in Gummel- -Poon Type Bipolar Junction Transistor Models[J].IEEE MTT-S Digest,1998;3:1345-1348. [6] Tinti R.,Sischka F.,Morton C.Proposed System Solution for 1/f Noise Parameter Extraction[Z].Agilent Product Note 85150-4,1993.