微波电路与系统仿真实验3

实验3低噪声放大器设计与仿真高源慈电子科技大学2016年11月SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina低噪声放大器设计与仿真实验内容：3.1低噪声放大器的基础知识3.2晶体管直流工作点扫描3.3晶体管S参数扫描3.4SP模型的仿真设计实验目的：1.了解微波低噪声放大器的技术指标和设计方法；2.掌握使用ADS进行微波有源电路的设计、仿真与优化。3.1低噪声放大器的基础知识1.低噪声放大器的作用放大微弱信号降低噪声干扰在接收机或各种特定的无线通信系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。2.低噪声放大器的主要技术指标噪声系数放大器增益增益平坦度稳定系数输入输出驻波比通频带、中心频率输出功率…噪声系数outoutininoutinNSNSSNRSNRNF//定义：放大器输入信号与输出信号信噪比的比值。放大器输入输出ininNSoutoutNS、输入信号功率和输入噪声功率。inSinN、输出信号功率和输出噪声功率。outSoutN物理含义：信号通过放大器后，信噪比变坏的倍数。单位：NFdBNFlog10放大器增益定义：放大器输出功率与输入功率的比值。outinPGP提高低噪声放大器的增益对降低接收机的噪声系数是非常有利的，但是低噪声放大器的增益过高会影响到整个接收机的动态范围。因此，一般来说，低噪声放大器的增益应与系统的整机噪声系数、接收机的动态范围等结合起来考虑。增益平坦度带内起伏：G（dB）起伏斜率：dB/MHz输入输出驻波比物理含义：表征输入输出回路的匹配情况。3.低噪声放大器的设计方法①选择合适的晶体管，下载并安装晶体管的库文件。②进行直流分析，确定直流工作点。③偏置电路设计。④稳定性分析。⑤噪声系数圆和输入匹配设计。⑥最大增益的输出匹配设计。⑦匹配网络的实现。⑧版图的设计。⑨原理图和版图的联合仿真。选择合适的放大管双极性晶体管BJT场效应管GaAsFET高迁移率晶体管HEMT、PHEMT具有极低的NF例：2GHzNF=0.5dB设计输入输出匹配电路输入端按最小噪声系数设计为获得最小噪声系数，应选择最佳信号源反射系数。稳定性分析根据管子参数计算稳定系数K，判断其是否工作在稳定区。输出端按共轭匹配设计4.软件仿真注意事项仿真时模型的选择1晶体管sp模型：属于小信号线性模型，模型中已经带有了确定的直流工作点，和在一定范围内的S参数，仿真时要注意适用范围。Sp模型只能得到初步的结果，对于某些应用来说已经足够，不能用来做大信号的仿真，或者直流馈电电路的设计，不能直接生成版图。大信号模型：可以用来仿真大、小信号，需要自行选择直流工作点，仿真时要加入馈电电路和电源。带有封装的大信号模型可以用来生成版图。软件仿真注意事项仿真时模型的选择2集总参数元件：电容、电阻、电感在进行电路优化时，可直接选用参数连续变化的模型在系统设计最后，需要把这些优化过的元件替换为器件库中系列中的元件才是可以制作电路、生成版图的。替换时选择与优化结果相近的数值，替换后要重新仿真一次，检验电路性能是否因此出现恶化。5.低噪声放大器的设计指标设计指标：①频率：1.8~2.2GHz②噪声系数：3.0dB③增益：10dB④增益平坦度：0.5dB/5MHz(带内)⑤输入驻波比：2.0⑥输出驻波比：2.5此处选择Agilent公司的AT41511，也可选择其他公司的管子。3.2晶体管直流工作点的扫描建立工程晶体管直流工作点扫描目的：进行直流工作点扫描和分析；检查电路的静态工作点。偏置电路的设计稳定性分析建立工程建立工程的具体步骤如下：①运行ADS，弹出ADS的主窗口。②选择【File】→【NewProject】命令，弹出“NewProject”（新建工程）对话框。对话框中的默认工作路径为“C:\Users\defaults\”，在路径的末尾输入工程名：lna。在【ProjectTechnologyFiles】栏中选择“ADSStandard：Lengthunit-millimeter”，即工程中的默认长度单位为毫米。③点击【OK】按钮，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。建立工程输入工程名选择工程中的默认长度单位新建工程对话框晶体管直流工作点扫描晶体管直流工作点扫描的具体步骤如下：①选择【File】→【NewDesign…】在工程中新建一个原理图。②在新建设计窗口中给新建原理图命名，此处命名为“bjt_curve”，并在【SchematicDesignTemples】栏中选择“BJT_curve_tracer”，这是个专门用来扫描BJT工作点的模板。新建原理图对话框输入原理图名选择模板BJT工作测试模板③点击【OK】按钮确认，新的原理图窗口会被打开。窗口中有系统预先设计好的组件和控件。参数扫描控件元件库窗口④单击工作栏中的按钮【DisplayComponentLibraryList】，打开元件库“ComponentLibrary”。⑤在【Component】的【Search】中输入元件名称“41511”，按Enter键，可以看到该种晶体管的不同模型。选择pb开头的模型“pb_hp_AT41511_19950125”，切换到Design窗口，放入晶体管，按Esc键终止当前操作。注意：以sp为开头的是S参数模型，这种模型不能用来做直流工作点的扫描。⑥按下图接入BJT元件。连线单击按扭，按Esc键终止当前操作。注意：该晶体管有两个管脚，此处接1个即可。⑦按Simulate键，开始仿真，这时会弹出一个窗口，该窗口会显示仿真或者优化的过程信息。如果出现错误，里面会给出出错信息，应该注意查看。⑧仿真结束，弹出结果窗口，如下图。直流工作点扫描曲线直流工作点和功耗因采用的是ADS的设计模板，故数据显示都已经设置好了。一般情况下，数据的显示需要人为自行设置。注意:关闭的时候要保存为适宜的名字。图中的Marker可用鼠标拖动。直流工作点扫描注意事项实际上，模板中预设的扫描参数通常和需要的并不一致，需要在Design窗口的原理图上通过参数扫描控件进行修改。参数扫描控件按钮很重要，在很多情况下会经常用到。另外，一般参数的修改，既可以通过双击一个目标（元器件、控件等）来进行，也可以在设计窗口中激活显示参数来实现。高级设置的修改只能通过双击目标实现。在本例中，可以适当调整扫描参数，然后仿真，在结果曲线上选择合适的直流工作点，获得相应的直流偏置电压（或电流）值。偏置电路的设计①创建新的原理图，可命名为“bjt_bias”.②在原理图设计窗口中选择偏置工具栏此时，窗口左侧的工具栏变为右图所示。在工具栏中点击选择”BJTBias“，并在右侧的绘图区放置。偏置电路原理图③执行菜单命令【DesignGuide】→【Amplifier】弹出放大器向导对话框，选择”Tools→TransistorBiasUtility“对晶体管的直流偏置参数进行设置。偏置向导参数设计点击该按钮，并选择Vce=2.7V,Ic5mA的点作为偏置点。④点击【Design】按钮，此时会弹出”BiasNetworkSelection“对话框，点击【OK】，会生成直流偏置电路，结果如右下图。⑤选择偏置设置元件，并点击查看子电路。⑥所得到的偏置电路图如下图所示。实际电路中需将电阻用相近的常规标称值电阻代替。⑦新建偏置电路原理图如下，可命名为“bjt_biascircuit”。仿真后，并点击【Simulation】→【AnnotateDCSolution】可看到各节点电压电流。稳定性分析①新建电路原理图如下，可命名为“bjt_stab”。射频扼流电路隔直电容②仿真之后，得到稳定系数K和最大增益仿真结果如下所示。稳定系数K（稳定性判别系数）：此处K1，放大器电路不稳定。需加入负反馈电路。③在晶体管发射极加入小电感作为负反馈，并将其电感值设为变量，利用主菜单【Simulate】→【Tuning…】功能调整电感值，同时观察稳定系数K的变化，选择合适的电感值，使K在工作频率范围内均大于1。将电感值改为标称值。④最后得到的仿真结果如下图所示，K在工作频率范围内均大于1。3.3晶体管的S参数扫描选定晶体管的直流工作点后，就可以进行晶体管的S参数扫描和稳定性分析。本节选用S参数模型：sp_hp_AT-41511_2_19950125，该模型对应的工作点为Vce=2.7V、Ic=5mA。晶体管S参数的扫描晶体管的S参数扫描晶体管S参数扫描的具体步骤如下：①选择【File】→【NewDesign…】在工程中新建一个原理图。在新建设计窗口中给新建原理图命名，此处命名为“SP_of_spmod”，并在【SchematicDesignTemples】栏中选择“S_Params”，这是个专门用来扫描S参数的模板。输入原理图名选择模板②点击【OK】按钮确认，新的原理图窗口会被打开。窗口中有系统预先设计好的组件和控件。S参数扫描模板③选择sp开头的模型“sp_hp_AT-41511_2_19950125”，切换到Design窗口，放入晶体管，按Esc键终止当前操作。④连接元件，并修改S参数仿真器的频率设置，然后进行仿真。⑤仿真之后，可得到右图所示的S参数仿真结果。另外，从图中可看出，晶体管的输入匹配不好。⑥修改S参数仿真器，加入噪声系数的仿真。⑦尝试以列表形式显示数据，通过工具栏上的按钮可查看后面的数据。前后翻页，查看数据3.4SP模型的仿真设计很多时候，在对封装模型进行仿真设计前，通过预先对SP模型进行仿真，可以获得电路的大概指标。SP模型的设计通常被作为电路设计的初级阶段。本节首先设计sp_hp_AT-41511_2_19950125在2GHz处的输入、输出匹配。输入匹配设计输出匹配设计输入匹配设计①点击，放置输入阻抗测试控件Zin，插入到原理图中。②执行仿真，并等待结束。仿真结束后，在弹出的数据显示窗口中插入一个关于输入阻抗Zin1的数据列表，如图所示。由列表中可得到2GHz点的输入阻抗为：20.083/19.829。换算为实/虚部的形式为18.89＋j*6.81。•其中参数的含义是：–H:基板厚度–Er:基板相对介电常数–Mur:磁导率–Cond:金属电导率–Hu:封装高度–T:金属层厚度–TanD:损耗角–Roungh:表面粗糙度③选择TLines-Microstrip元件面板，并在其中选择微带线参数配置工具MSUB并插入到原理图中。④选择菜单【DesignGuide】→【PassiveCircuit】菜单，选择【PassiveCircuitControlWindow】，进入【PassiveCircuitDesignGuide】元件面板，点击并选择单分支线匹配，插入到原理图中，并修改其参数。⑤转到PassiveCircuitDesignGuide窗口，点击Design。请注意选择其中的T形接头为计算时考虑阻抗突变引入的。在实际电路中并不代表任何实际长度的电路，具体的含义请参阅帮助文档。⑥匹配网络生成后，返回到原理图窗口，点击，进入匹配网络的子电路。⑦设计完成后，单击按钮返回SP仿真的原理图中，将刚刚设计的匹配电路插入到图电路中，作为输入匹配电路。⑧对电路进行仿真，并查看结果。从图中可以看出，对于输入端口来说，反射系数已经很小了，并且输入阻抗也接近负载阻抗50Ω；但对于输出端口来说，反射系数仍然不是很小，且输出阻抗与负载阻抗还有一定的差距。请自行查看S21和S12、Zin、nfmin、nf(2)的仿真结果。①在原理图中添加Zin控件，并改为输出阻抗，如下如所示。输出匹配设计1②可采用与输入匹配设计相似的方法进行设计。输出匹配设计2①对于输出及也使用单分支线的结构进行匹配选择，点击微带线工具和T形接头工具，连接电路如图，