基于ADS的低频电子元器件建模技术研究

周顺满， 刘苏杰， 张 元，2

（1．上海无线电设备研究所，上海200090；2．上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室，上海200438）

0 引言

ADS（Advanced Design System）是由美国Agilent公司推出的微波电路和通信系统仿真软件，是当今业界流行的微波射频电路、通信系统、RFIC设计软件之一。其功能非常强大，仿真手段丰富多样，能够实现时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种情况下的仿真分析，并能对设计结果进行成品率分析与优化，大大提高了复杂电路的设计效率，是非常理想的微波射频电路与系统信号链路设计工具［1］。

在系统和电路的综合仿真过程中，时常遇到高频、中频、低频或模拟、数字电路的混合仿真，这就需要对低频模拟、数字电路进行联合仿真。但是，在对中低频电路仿真时，发现大量的低频元器件在ADS软件中找不到仿真模型，无法进一步开展数字化仿真设计工作。该现象在各类航天优选目录的低频国产元器件中更为突出。若要完成整个系统或部件的数字仿真和优化，就必须根据仿真需求，解决低频电路元器件的建模问题。为扩大电路仿真、系统仿真在电路设计及工程调试中的应用，本文在ADS软件平台基础上开展了低频元器件建模方法研究。

1 元器件仿真模型概述

在电路仿真过程中，元器件建模是第一步，也是最重要的一步。元器件模型一般分为两类［2］：一类是以元器件的工作原理为基础的精确仿真模型；另一类是以元器件的输入、输出特性为基础的功能仿真模型。元器件建模需要综合考虑仿真目的、计算量、精度等因素。下面分别介绍这两类模型的特点。

（1）精确仿真模型

它可以是由内部构造推导出来精确的数学模型（如二极管、三极管），也可以是对内部复杂电路的结构描述（如集成电路）。绝大多数EDA软件都是以SPICE（Simulation Program with Intergraded Circuit Emphasis）语言的形式对该类模型进行描述，并提供比较丰富的器件模型库。国外各大集成电路制造厂商通常也会在推出新器件产品一段时间后发布其器件的SPICE语言模型。这类模型能够真实、细致地反映元器件的功能和特性，模型相对复杂，计算时间较长。对于军品元器件而言，其SPICE模型通常是不公布的。该方法的优点是精度较高，缺点是模型复杂，计算时间长。

（2）功能仿真模型

它主要关注元器件的外在功能和特性，可以是一个等效电路、一组数学方程，也可以是表达复杂电路的符号。理想模型的特点是在一定的精度范围内完成元器件的功能，其端口特性和元器件的端口特性近似相同。该方法的建模和使用简单方便，节约资源，适用范围广，特别是在高频、非线性、大功率的情况下，行为级模型几乎是唯一选择。该方法的优点是计算量较小、模型简单，缺点是精度较差。

在系统仿真过程中，可以对元器件模型进行必要的简化，系统总体对器件内部节点的仿真结果并不关心，但在各单板数字化设计仿真中，必须对各类元器件建立精确的仿真模型。

各种仿真软件的建模在界面、操作、仿真设置、结果显示等方面存在较大差异，但元器件模型建立的基本流程一致，主要分为以下几个步骤，如图1所示。

图1 元器件建模的基本步骤

仿真需求分析是根据仿真和数字化设计的需求，确定是采用精确建模方法，还是功能建模方法。然后，对元器件建模采用的具体策略进行分析，并采用仿真软件（如ADS、EWB等）完成模型的建立。模型封装是对建好的元器件模型进行封装，方便后续调用，主要包括绘制元器件的外形图和对应的输入、输出引脚定义。模型验证是建立单元仿真电路，通常采用实际的元器件检验电路，将仿真结果与检验电路的测试结果进行对比，确认元器件仿真模型的有效性。

2 建模方法与实施

仿真任务需求存在多种形式，有针对系统、分系统、模块的仿真需求，也有针对功能、温度、容差、可靠性等情况的仿真需求，建模时需要综合考虑计算机的仿真能力、器件功能特性、模型被重用的可能性等多个因素，确定需要建立仿真模型的精确程度，再选择合适的建模方法。

根据待建立元器件的研制和生产现状，结合ADS软件提供的建模工具，元器件建模方法可分为模型导入、等效替代、原理图绘制、修改参数、参数优化、功能建模等。

2．1 模型导入法

该方法是ADS软件建立精确模型的最方便、最有效的方法。因为ADS软件主要应用于微波电路和通信系统的仿真，其模型库不提供低频放大器、比较器、部分三极管和二极管的仿真模型，如AD811、LM119等［3］。而这些元器件的模型可以在厂家产品的模型库，或其他仿真软件（如ORCAD／PSPICE、EWB／Multisim、Altium／Protel）中找到相应的模型文件。将模型文件导入后再进行封装就形成了可用的仿真模型，不需要进行模型验证工作。绝大多数仿真软件都提供这种建模方法。

模型导入过程如下：在ADS软件中，新建原理图，在FILE菜单下选择IMPORT，选择正确的文件类型和模型编辑语言（如PSPICE、SPICE3、HSPICE等），指定模型文件的位置即可。

2．2 等效替代法

军品电路的研制过程中，器件的国产化比例有严格要求。在电路器件选型时，应尽可能选用国产元器件（如SG108、2AP9等）。然而，国产元器件厂商并不提供元器件的仿真模型（如SPICE模型）。考虑到目前大量的国产元器件为国外元器件的仿制，对这类元器件的建模可采用等效替代法。

首先，在国内外元器件替代手册中查找对应的进口元器件，再查找该进口元器件是否提供SPICE等类型的仿真模型。然后，采用模型导入法将模型导入，并在封装时将器件名称更改为国产元器件的名称。如国产放大器SG108采用LM108的仿真模型替代；国产二极管2AP9采用D1N60／SDG的仿真模型替代；国产三极管2N2222采用JTX2N2222A替代，如图2所示。

图2 2N2222的SPICE仿真模型

2．3 原理图绘制法

军品电路设计过程中，经常使用高精度、高性能的定制器件或经二次集成的、具有特定功能的芯片。这些元器件在仿真建模时无法找到仿真模型。在这种情况下，要想建立较为精确的仿真模型，首先在器件手册中查找内部电路图（如UA733等），再在ADS软件中建立仿真模型并封装，然后根据器件指标对仿真模型进行验证。当器件手册上不提供或提供的电路图过于简单时，就需要与生产厂商协调并获取更为详细的器件内部原理图。

图3 某集成电路的仿真模型

某集成电路的仿真模型如图3所示。该器件为高性能定制器件，由于其性能指标关键，直接影响分系统仿真结果，与厂家协商获取电路原理图，并依此建立仿真模型。

2．4 修改参数法

修改参数法主要用于简单元器件的建模，如电阻、电容、三极管、二极管等器件。参数修改内容主要包括器件的常温参数、高低温参数、器件公差等，它可以满足仿真电路的温度特性、容差分析、最坏情况分析。

在ADS软件中，可以采用该方法建立集成放大器的仿真模型，如UA702、AD811等。该方法建立的模型能够很好的表征放大器的输入、输出阻抗和放大功能特性，对内部具体电路进行理想化，大大降低仿真的计算量，减少仿真不收敛的可能性。依据产品手册修改集成放大器的参数，并通过S参数仿真对修改后的模型进行校验，最终确定AD811的模型，如图4所示。

图4 AD811模型参数输入和验模电路

2．5 参数优化法

从修改参数法中可以看到，集成放大器需要修改的参数很多，手动修改难以对验模电路的时域、频域等各项参数都实现准确建模。为了实现集成放大器频响、放大、延迟等多项技术指标的准确建模，可以按照验模电路对器件的输入、输出特性进行详细测试，以测试数据为优化目标拟合参数曲线。这种以测试结果为目标的模型参数优化可以采用软件内部提供的优化方法，也可以采用外部的集成优化器，如ISIGHT、OPTIMUS等［11］。除集成放大器外，陶瓷滤波器、机械滤波器、声表面波滤波器等没有内部电路特性的器件，也可以采用该方法建模。

在ADS原理图窗口中，选择滤波器执行DesignGuide／Filter，在滤波器优化界面中输入滤波器类型、通带和阻带等性能参数，执行优化即可完成建模。

2．6 功能建模法

对于物理机理不明确、无法获取内部电路组成、模型精度要求不高的器件可以采用功能建模法。该方法可以完成各种器件的建模。

ADS软件只提供数字环境下的门电路仿真，不提供混合电路条件下的门电路仿真。要进行混合电路仿真，先要将非数字器件打包成一个元件之后再进行仿真。为便于低频混合电路仿真，可以采用功能建模法，建立所有逻辑门的仿真模型。图5为采用该方法建立的与非门仿真模型，该模型模拟了两输入与非门的基本功能和输入、输出阻抗特性。

图5 两输入与非门仿真模型

3 模型封装

目前，所有的电路仿真软件都提供模型建立后的封装功能，并可以加入到软件提供的模型库，供其他电路仿真时调用。模型封装主要有以下几个步骤：

a）根据模型的功能选择并绘制一个模型外形图；

b）定义封装前后的引脚，并将这些引脚一一对应；

c）将模型内部参数定义为变量，并将该参数与封装后的参数对应。

在模型建好后，在ADS软件中执行File／Design Parameters命令，在Parameters选项卡中设置可供修改的输入电阻、输出电阻，在General选项卡中编辑封装的外形图。这样就完成了模型的封装。

4 模型验证

除直接导入的模型外，其他方法建立的元器件仿真模型都需要进行模型验证后方可使用。模型验证以仿真的目的为出发点，验证模型在电路仿真中的有效性，为后续的仿真工作奠定基础。

集成放大器AD811的SPICE模型能准确表达其性能特性，但运算复杂，计算量大，且仿真过程容易出现不收敛。为减小计算量，便于仿真，可采用修改参数法建立AD811的简单仿真模型，如图4所示。

图6（a）为模型的频域特性仿真结果，图6（b）为AD811数据手册给出的器件特性。从图中可以看出，仿真结果与数据手册中上面一条曲线（使用＋15 V电源）的特性基本一致，该仿真模型有效的验证了集成放大器的频域特性。该方法建立的模型可用于频域特性仿真。

图6 AD811验模仿真结果

5 结束语

本文针对使用ADS软件进行元器件建模时遇到的问题，从建模方法与实施、模型封装与验证三个部分进行了阐述，重点阐述了建模策略和实施。在ADS软件平台上，采用本文所述的建模方法建立的低频电路仿真模型可以与射频电路、系统仿真模型对接，完成整个系统的仿真。ADS软件也可以根据系统仿真需求，建立器件的容差、高低温条件下的元器件仿真模型，供电路的环境适应性仿真和优化使用。

本文所述的元器件建模方法也可以应用到其他软件（如EWB／Multisim等）的元器件建模。将验证好的元器件模型添加到器件库，通过不断积累充实，最终解决国产元器件仿真模型缺乏的问题。元器件建模方法为电路仿真技术在军品电路数字化设计中的应用奠定了坚实的基础，提高了电路研制的创新能力，提升了电路设计质量。

［1］ 陈艳华，李朝晖，夏玮．ADS应用详解［M］．北京：人民邮电出版社，2008．

［2］ 刘苏杰．集成优化技术在差分对管建模中的应用［J］．制导与引信，2010，31（2）：4－8．

［3］ 徐兴福．ADS2008射频电路设计与仿真实例［M］．北京：电子工业出版社，2009．

［4］ 刘苏杰．电路仿真技术在科研生产中的应用［J］．制导与引信，2011，32（2）：4－10．