ads射頻課程設計---低噪聲放大器設計與仿真

1、<p><b>　　信息學院</b></p><p>　　射頻電路設計課程設計</p><p>　　課 題：低噪聲放大器設計與仿真 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導老師： &

2、lt;/p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p><b>　　目錄</b></p><

3、p>　　一、低噪聲放大器的功能和指標3</p><p>　　1.低噪聲放大器的功能3</p><p>　　2.低噪聲放大器的主要技術指標3</p><p>　　二、低噪聲放大器的設計原則5</p><p>　　三、晶體管直流工作點的掃描6</p><p>　　1.建立工程和原理圖 6</p>

4、;<p>　　2.直流工作點掃描 6</p><p>　　四、晶體管的S參數掃描 7</p><p>　　1.新建原理圖 7</p><p>　　2.S參數掃描 8</p><p>　　五、SP模型仿真設計 9</p><p>　　1.構建原理圖 10</p><p>

5、　　2.SP模型的仿真 10</p><p>　　3.輸入匹配設計11</p><p>　　4.輸出阻抗匹配設計 13</p><p>　　六、綜合指標的實現(xiàn)15</p><p>　　1.放大器穩(wěn)定性分析15</p><p>　　2.噪聲系數分析15</p><p>　　3.輸入駐波

6、比與輸出駐波比15</p><p><b>　　七、結論16</b></p><p>　　低噪聲放大器的功能和指標</p><p><b>　　低噪聲放大器的功能</b></p><p>　　隨著通信技術的飛速發(fā)展，人們對各種無線通信工具提出了更高的要求，功率輻射小，作用距離遠、覆蓋范圍大已成為

7、各運營商乃至通信設備制造商的普遍要求，系統(tǒng)接收靈敏度由下式決定：</p><p>　　S=-174+NF+10log(BW)+S/N</p><p>　　式中NF為噪聲系數，BW為系統(tǒng)帶寬，S/N為輸入信號噪聲比。因此，在各種特定的無線通信系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關鍵因素是降低接收機的噪聲系數NF，而決定接收機的噪聲系數的關鍵部件就是處于接收機最前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用

8、是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾。</p><p>　　低噪聲放大器的技術指標</p><p>　　低噪聲放大器的主要指標包括：噪聲系數(NF)、功率增益、輸入輸出駐波比、動態(tài)范圍等，其中對整個系統(tǒng)影響最大的指標是噪聲系數和放大增益。（1） 噪聲系數 噪聲系數是指信號通過放大器之后，由于放大器產生噪聲使信噪比變壞，而信噪比下降的倍數就是噪聲系數。其定義為：</

9、p><p>　　式中，n為放大器輸出端確定的信噪比。噪聲系數通常用分貝表示：NF(dB)=10lgNF</p><p>　　對于單級放大器而言，其噪聲系數為：</p><p>　　式中，F(xiàn)min為晶體管最小噪聲系數，由放大器本身決定，rn是晶體管等效噪聲電阻，是晶體管輸入端的源反射系數，是獲得最佳Fmin時的最佳源反射系數。</p><p>　

10、　對于多級放大器來說，其噪聲系數由下式決定：</p><p>　　在某些噪聲系數要求極高的系統(tǒng)中，由于噪聲系數很小，用噪聲系數表示不方便，通常采用噪聲溫度表示，則噪聲溫度Te與噪聲系數NF的換算關系： 式中，T0為環(huán)境溫度，通常為2900 K,NF為放大器的噪聲系數。（2） 噪聲系數與接收機靈敏度的關系 接收機靈敏度是維持接收機正常工作時。輸入端所必需的最小信號功

11、率(或電壓)。在理想條件下，接收機內部噪聲所決定的靈敏度作為衡量接收機質量的標準，則稱為最高靈敏度。 設天線的輸入信號為Es，則</p><p>　　為源內阻的熱噪聲，即Pni=4kTRs△fn，于是其定義式可表示為：，</p><p>　　可檢測的最小信號為：</p><p><b>　　：</b></p><p>　

12、　式中，Rs是天線等效電阻，△fn是接收機通頻帶寬度，k是波爾茲曼常數(1.38×10-23J／K)，T為室溫17℃(290 K)。(3) 放大增益</p><p>　　放大增益定義為輸入功率與輸出功率之比：</p><p>　　從式中可以看出，提高低噪聲放大器的增益對降低整機的噪聲系數非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會影響整個接收機的動態(tài)范圍。所以一般來說低噪聲放大器的增

13、益確定應與系統(tǒng)的整機噪聲系數、接收機動態(tài)范圍結合起來考慮。</p><p>　　(4) 輸入輸出駐波比 低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征其端口回路的匹配情況。一般低噪聲放大器的輸入匹配電路是按照最小噪聲設計的，即接近最佳噪聲匹配而不是最佳功率匹配，而輸出端匹配網絡一般是為獲得最大功率和最低駐波比設計的。所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種不匹配。為了減小放大器輸入端不匹配所引起的端口反射，可插入損耗很

14、小的隔離器方法解決。 </p><p>　　(5) 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號允許的最小和最大功率的范圍。動態(tài)范圍的上限由最大可接收的信號失真決定，動態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。為了避免大信號輸入時產生非線性失真，一般應選擇低噪聲放大器的輸入三階交調點IIP3較高一點，至少比最大輸入信號高30 dB。</p><p>　　低噪聲放大器的設計原則</p>

15、<p>　　在進行低噪聲放大器的實際設計中，要注意以下幾點：</p><p><b>　　放大管的選擇</b></p><p>　　對微波電路中應用低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍，目前雙極性低噪聲管的工作頻率可以達到幾個千兆，噪聲系數為幾個分貝，而砷化鎵小信號的場效應管的工作頻率更高，并且噪聲系數在1dB一下。</p>

16、<p>　　在該實驗中我們選取晶體管做放大管。</p><p>　　輸入輸出匹配電路的設計原則</p><p>　　電路中壓根注意的一些問題</p><p>　　日前低噪聲放大器方面的設計手段</p><p>　　日前同行業(yè)低噪聲放大器的發(fā)展水平</p><p>　　晶體管直流工作點的掃描</p&g

17、t;<p>　　建立工程和創(chuàng)建原理圖</p><p>　　啟動軟件后建立新的工程文件lan，并且在Project Technology Files欄中選擇“ADS Standard:Length unil-millimeter”,打開原理圖設計窗口。</p><p>　　選擇File/New Design…新建一個原理圖，命名為bjt_curve,并在Schematic De

18、sign Temples欄中選擇“BJT_curve_tracer”。</p><p>　　點擊，打開元件庫，在中輸入41511，對41511的查詢結果可以看到里面有這種晶體管的不同的模型，以sp為開頭的是S參數模型，這種模型不能用來做直流工作點的掃描，選擇pb開頭的模型，切換到Design窗口，放入晶體管按照下圖所示接入晶體管，連線按鍵為，注意確認線完全接好</p><p>　　圖 接入

19、BJT的BJT_curve_tracer模板</p><p><b>　　直流工作點掃描</b></p><p>　　按Simulate鍵，開始仿真，仿真結束，彈出結果窗口，如下，矩形圖中就是BJT的直流工作點掃描曲線。</p><p><b>　　晶體管的S參數掃描</b></p><p>　　選

20、定晶體管的直流工作點后，可以進行晶體管的S參數掃描，本節(jié)中選用的是S參數模型sp_hp_AT-41511_2_19950125，這一模型對應的工作點為Vce=2.7V、Ic=5mA。</p><p><b>　　新建原理圖</b></p><p>　　新建一個原理圖，命名為SP_of_spmod, 并在Schematic Design Temples欄中選擇“S-Pa

21、rams”。 然后新的Design文件生成，窗口如下</p><p>　　加入sp模型的晶體管，并連接電路如圖</p><p>　　由于sp模型本身已經對應于一個確定的直流工作點，因此在做S參數掃描的時候無需加入直流偏置。觀察sp模型晶體管的參數顯示，在此例中，標定的頻率適用范圍為0.1~5.1GHz，雙擊在控件中作修改參數如右。</p><p><b>

22、　　S參數掃描</b></p><p>　　點擊按鍵，進行仿真。仿真結束后，系統(tǒng)彈出數據顯示窗口，下圖所示的史密斯圓圖中就是BJT模型的S(1,1)參數和S(2,2)參數，它們分別表示了BJT的輸入端口反射系數和輸出端口反射系數。</p><p>　　下圖列出了BJT模型的S(1,1)參數和S(2,2)參數，它們分別表示了BJT的正向和反射的功率傳輸參數。 &

23、lt;/p><p>　　接著點擊，激活的是數字列表的顯示方式，在中選擇S(1,1)，然后再點擊按扭，點確認就可在數據顯示窗口中插入一個關于S(1,1)的數據列表，就可以觀察在每個頻率處的S(1,1)參數的幅度和相位值了。如右圖所示。</p><p>　　雙擊圖中的S參數仿真控制器，選中其中的Calculate Noise選項，單擊確認，再次仿真，點擊按扭，激活的是圖形顯示方式，在左邊所列的參數

24、列表中選擇n(f2)，然后點擊，確認，然后在彈出的數據顯示格式對話框中選擇dB，就在數據框中插入了一個關于n(f2)的矩形圖，如下圖所示</p><p><b>　　SP模型仿真設計</b></p><p>　　很多時候，在對封裝模型進行仿真設計前，通過預先對sp模型進行仿真，可以獲得電路的大概指標。sp模型的設計，通常被作為電路設計的初級階段。本節(jié)首先設計sp_hp

25、_AT-41511_2_19950125在2GHz處的輸入、輸出匹配。</p><p><b>　　構建原理圖</b></p><p>　　建立新的工程文件，命名為spmod_LNA，并在Schematic Design Temples欄中選擇“Simulation-S_Param”。</p><p>　　在庫中選出晶體管sp_hp_AT-41

26、511_2_19950125，放在原理圖窗口。</p><p>　　點擊，放置負載終端元件Term1，Term2兩個端口。</p><p>　　然后在原理圖中插入兩個地線。</p><p>　　點擊，放置輸入阻抗測試控件Zin，插入到原理圖中。</p><p>　　點擊，放置S參數掃描控件。并修改為上一節(jié)中的相同值。</p>&

27、lt;p><b>　　連接電路圖如下。</b></p><p><b>　　SP模型的仿真</b></p><p>　　執(zhí)行仿真，并等待結束。</p><p>　　仿真結束后，在彈出的數據顯示窗口中插入一個關于輸入阻抗Zin1的數據列表，如圖所示。</p><p>　　由列表中可得到2GHz點

28、的輸入阻抗為：20.083/19.829。換算為實/虛部的形式為18.89＋j*6.81。</p><p><b>　　輸入匹配設計</b></p><p>　　本部分將為SP模型設計一個輸入的茶杯網絡，匹配網絡是采用微帶線實現(xiàn)的，具體過程如下。</p><p>　　選擇TLines-Microstrip元件面板，并在其中選擇微帶線參數配置工具

29、MSUB并插入到原理圖中。</p><p><b>　　其中參數的含義是：</b></p><p><b>　　􀂄 H:基板厚度</b></p><p>　　􀂄 Er:基板相對介電常數</p><p>　　􀂄 Mur:磁導率</p>

30、<p>　　􀂄 Cond:金屬電導率</p><p>　　􀂄 Hu:封裝高度</p><p>　　􀂄 T:金屬層厚度</p><p>　　􀂄 TanD:損耗角</p><p>　　􀂄 Roungh:表面粗糙度</p><p

31、>　　雙擊MSUB控件，設置微帶參數,</p><p><b>　　如圖右所示。</b></p><p>　　選擇passive-circuit dg-matching元件面板，點擊選擇采用單分支線匹配電路SSMtch放置在原理圖中。</p><p>　　雙擊SSMtch進行設置，設置好后如圖所示。</p><p>

32、;　　選中SSMtch電路，并單擊菜單欄中的DesignGuide>Passive Curcuit,在此時系統(tǒng)彈出窗口中選擇microstrip control window項，進入Passive Curcuit DesignGuidep窗口，在窗口中單擊按鈕，系統(tǒng)將自動完成設計過程。綜合完畢后，即可生成適合的匹配網絡。</p><p>　　匹配網絡生成后，點擊push into hierarchy，進入匹

33、配網絡的子電路，如圖所示。</p><p>　　設計完成后，單擊pop out按鈕返回SP仿真的原理圖中，將剛剛設計的匹配電路插入到圖電路中，作為輸入匹配電路，如下</p><p>　　電路連接完成后，執(zhí)行仿真，等待仿真結束。</p><p>　　仿真結束后在數據顯示窗口中查看電路的S（1，1）參數和S（2，2）參數的史密斯圓圖，并在頻率為2GHz處分別插入標記，如

34、下圖。</p><p>　　從圖中可以看出，對于輸入端口來說，反射系數已經很小了，并且輸入阻抗也接近負載阻抗50Ω；但對于輸出端口來說，反射系數仍然不是很小，且輸出阻抗與負載阻抗還有一定的差距。</p><p>　　觀察數據顯示窗口中關于S（1，2）參數和S（2，1）參數的矩形圖。從圖中也可以看出，S（1，2）參數和S（2，1）參數也有一定的改善。</p><p>

35、　　在數據顯示窗口中查看阻抗Zin1的數據列表，職下圖所示，從圖中也可以看出，當頻率為2GHz時，電路的輸入阻抗接近50Ω。</p><p>　　由以上的仿真結果可見，電路基本上已經達到了比較好的性能，職：良好的輸入匹配、較高的增益、穩(wěn)定系數和噪聲系數。</p><p>　　但另一方面，輸出匹配設計匹配還不太好，電路的增益也可進一步的提高。下面就進行輸入阻抗匹配設計。</p>

36、<p><b>　　輸出阻抗匹配設計</b></p><p>　　對于輸出及也使用單分支線的結構進行匹配選擇，點擊微帶線工具和T形接頭工具，連接電路如圖，元件的方向可以按調整。</p><p>　　由輸入匹配的設計，可知輸入匹配網絡的線寬為1.558mm（當然，實際制作電路的時候，不可能達到這樣的精度），根據綜合時的設置，這個寬度實際上就是50歐姆特征阻抗

37、對應的線寬。因此，在輸出匹配電路中，將所有的寬度設置為此寬度。如圖。 </p><p>　　完成微帶線參數后，將輸出匹配網絡連接到SP模型中去，如下圖所示。</p><p>　　在原理圖設計窗口的optim/stat/yield/DOE元件面板列表中選擇一個優(yōu)化控件Optim并插入到原理圖中。將優(yōu)化控件中的Maxlters的值改為200，增加優(yōu)化次數。再在列

38、表中選擇2 個優(yōu)化目標控件GOAL，并插入到原理圖中進行設置，設置好后如圖所示。</p><p>　　插入一個新的S參數仿真控制器，并將其頻率范圍設置在2GHz附近，如右圖。</p><p>　　設置TLIN1和TL3的優(yōu)化范圍。雙擊TLIN1，先中L項，然后單擊tune/opt/stat/doe setup進入如下窗口。把Optimization項設置好后如圖所示，就把優(yōu)化范圍設置為2.

39、0mm到40mm。TL3的設置方法和參數同上。</p><p>　　進行仿真，仿真結束觀察S（1，1），S（1，2）S（2，1）S（2，2）的數據曲線如下圖所示。</p><p>　　從圖中可以看出，經過優(yōu)化后，S（1，1）的參數反而不如不加輸出阻抗匹配網絡前，這是由于加入匹配網絡后，改變了原來電路的輸入阻抗，使電路的輸入阻抗不再為50歐。但S(2,2)有了很大的改善，優(yōu)化后的S（1，2）

40、和S（2，1）也有了不同程度的改善。</p><p>　　反復調整優(yōu)化方法、優(yōu)化目標中的權重Weight，還可以對輸入匹配網絡進行優(yōu)化，最終得到合適的結果。</p><p><b>　　綜合指標的實現(xiàn)</b></p><p><b>　　放大器穩(wěn)定性分析</b></p><p>　　首先來分析放大器

41、的穩(wěn)定性，放大器的穩(wěn)定性理放大器的一個重要的指標，如果電路穩(wěn)定系數變得很?。ǖ陀?.9），，則難以達到預期性能。</p><p>　　在simulation-s_param元件面板中選擇一個穩(wěn)定系數測量控件StatbFct，并插入到原理圖中，如右圖所示。</p><p>　　使原理圖設計窗口中的優(yōu)化控件失效，進行仿真。</p><p>　　仿真結束后，在數據顯示窗口

42、中加入一個善于穩(wěn)定系數的矩形圖，如下圖所示，可以看出在1.8GHz到2.2GHz的頻率范圍內，放大器的穩(wěn)定系數都在于1，滿足設計要求。</p><p><b>　　噪聲系數分析</b></p><p>　　數據顯示窗口中加入一個關于nf(2)的曲線，可以看出低噪聲放大器的噪聲系數大約為1.9左右。</p><p>　　輸入駐波比與輸出駐波比&l

43、t;/p><p>　　在原理圖中插入兩個駐波比測量控件VSWR，其中一個參數不變，另一個的測量方程改為VSWR2=vswr(S22)。如右圖所示。</p><p>　　執(zhí)行仿真，仿真結束后，在系統(tǒng)中插入一個關于VSWR1的矩形圖和一個關于VSWR2的矩形圖。由VSWR1、VSWR2的測量方程可以知道，它們分別是放大器的輸入駐波比和輸出駐波比，從圖中可以看出在頻率為2GH在、時，輸入輸出駐波比約

44、為1.5。得到的波形圖如下。</p><p><b>　　五、課程設計總結</b></p><p>　　初次接觸ADS軟件來設計和仿真低噪聲放大器，在設計運用過程中不僅了解了軟件的基本用法，對射頻電路的知識有了些深入的認識。</p><p>　　以前沒有自己全面動手設計一樣電路，射頻電路設計與仿真，整體上是大學三年的專業(yè)的一個綜合，以前的基礎知

45、識必須扎實，不然每一個元件的性質和功能不懂的話，去理解電路是很難的。所以，在設計過程中我又撿起了以前逐漸淡忘的書本知識，書多讀幾遍自有新意。我以前不懂的地方現(xiàn)在看來并沒有那么難，顯得有點游刃有余。學習很有勁很開心，特別有成就感。沒有以前那種厭煩了。這次課程設計我肯定有很大地方做的不好，或者沒有完全理清楚原理，但我學到了很多。過程中是有收獲的。同樣在設計時也遇到了很多問題，細心查閱資料詢問同學，最終得到了解決。</p>&l