實驗一低噪聲放大器設計制作與調試剖析

1、實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 實驗一 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 （一） 實驗目的 n了解低噪聲放大器的工作原理及設計方 法。 n學習使用ADS軟件進行微波有源電路的 設計，優(yōu)化，仿真。 n掌握低噪聲放大器的制作及調試方法。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 （二） 實驗內容 n了解微波低噪聲放大器的工作原理。 n使用ADS軟件設計一個低噪聲放大器， 并對其參數(shù)進行優(yōu)化、仿真。 n根據(jù)軟件設計的結果繪制電路版圖， 并加工成電路板。 n對加工好的電路進行調試，使其滿 足設計要求。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 （三）低噪聲放大器的技術指標 輸入輸出反射系數(shù)

2、噪聲系數(shù) 放大器增益 穩(wěn)定系數(shù) 通帶內的增益平坦度 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 （四）用ADS軟件設計低噪聲軟件設計低噪聲 放大器放大器 本節(jié)內容是介紹使用ADS軟件設計低噪 聲放大器的方法：包括原理圖繪制，電 路參數(shù)的優(yōu)化、仿真，版圖的仿真等。 下面開始按順序詳細介紹用ADS軟件設 計低噪聲放大器的方法。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 1.放大器設計的基本準備 n需要明確的概念 nS參數(shù)、放大器增益（平坦度）、噪聲系 數(shù)、噪聲溫度、動態(tài)范圍、三階交調與 1dB壓縮點、穩(wěn)定性、匹配。 n需要學習的知識 n匹配電路有哪些形式 n對晶體管如何饋電 nAnd so on 實驗一

3、低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 2.軟件仿真中需要注意的幾個問 題 n要有好的軟件設計習慣 n各種文件的命名 n電路的布局以及參數(shù)的設置和選擇 n要有合理的設計順序 n要記住你在使用的是軟件 n物理概念要明確，不要在無意義的地方花時間 n比如：按照加工精度，有些線條太細是不能實現(xiàn)的，另外追求小數(shù) 點后面N位的精確也是無聊的。 n注意仿真中使用模型的適用范圍，比如：小信號模型就不能用來看 三階交調等非線性的曲線（看了也是錯的），微帶線仿真的時候， 注意要LW，軟件中的模型才是對的。等等。 n注意如何規(guī)劃仿真，才能盡快得到需要的電路 n要按照先局部后整體的優(yōu)化，切忌直接全局優(yōu)化，最好能夠預先計

4、算設置優(yōu)化元件的初值。 n要注意仿真的數(shù)值穩(wěn)定性，對于對參數(shù)以來敏感的仿真結果在最后 制作的時候是很難實現(xiàn)的。適當?shù)臅r候需要考慮改系統(tǒng)拓撲。 n養(yǎng)成不明白就多看看help的習慣 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 2.軟件仿真中需要注意的幾個問 題 n仿真時模型的選擇1 n晶體管 nsp模型：屬于小信號線性模型，模型中已經帶有了確定的 直流工作點，和在一定范圍內的S參數(shù)，仿真時要注意適 用范圍。Sp模型只能得到初步的結果，對于某些應用來說 已經足夠，不能用來做大信號的仿真，或者直流饋電電路 的設計，不能直接生成版圖。 n大信號模型：可以用來仿真大、小信號，需要自行選擇直 流工作點，仿真時要

5、加入饋電電路和電源。帶有封裝的大 信號模型可以用來生成版圖 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 2.軟件仿真中需要注意的幾個問 題 n仿真時模型的選擇2 n集總參數(shù)元件 n電容、電阻、電感：在進行電路優(yōu)化時，可以 直接選用參數(shù)連續(xù)變化的模型，在系統(tǒng)設計最 后，需要把這些優(yōu)化過的元件替換為器件庫中 系列中的元件才是可以制作電路、生成版圖的。 替換時選擇與優(yōu)化結果相近的數(shù)值，替換后要 重新仿真一次，檢驗電路性能是否因此出現(xiàn)惡 化。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.ADS的使用 n啟動軟件后建立新的工程文件并打開原理 圖設計窗口。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管

6、直流工作點掃描 3.1和3.2節(jié)參照系統(tǒng)提供的典型電 路設置，用以幫助大家熟悉ADS的一些 最簡單的操作。對于各種工具的詳盡使 用，請自行參閱幫助文件。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n選擇File New Design進入下面的對話框 n在下面選擇BJT_curve_tracer，在上面給新建的Design命 名，這里命名為BJT Curve 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n在新的Design中，會有系統(tǒng)預先設置好的組 件和控件，如下圖 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n如何在De

7、sign中加入晶體管 n點擊 ，打開元件庫 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n選擇需要的晶體管，可以點擊 查詢 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n對41511的查 詢結果如下， 可以看到里 面有這種晶 體管的不同 的模型 n以sp為開頭 的是S參數(shù)模 型，這種模 型不能用來 做直流工作 點的掃描 n選擇pb開頭 的模型，切 換到Design 窗口，放入 晶體管，按 Esc鍵終止當 前操作。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n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，由于

8、此晶體管發(fā)射極 有兩個管腳，在此處接一個即可。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n按Simulate鍵 ， 開始仿真，這時會 彈出一個窗口，該 窗口會現(xiàn)實仿真或 者優(yōu)化的過程信息。 如果出現(xiàn)錯誤，里 面會給出出錯信息， 應該注意查看。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n仿真結束，彈出結果窗口，如下頁圖。 注意關閉的時候要保存為適宜的名字。 另外圖中的Marker是可以用鼠標拖動的。 由于采用的是ADS的設計模板，所以這 里的數(shù)據(jù)顯示都已經設置好了。一般情 況下，數(shù)據(jù)的顯示需要人為自行設置。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調

9、試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n典型仿真結果圖 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.1晶體管直流工作點掃描 n實際上，模板中預設的掃描參數(shù)通常和需要的 并不一致，需要在Design窗口的原理圖上進行 修改，修改的方法比較簡單。參數(shù)掃描控件 很重要，在很多情況下會經常用到。 n另外，一般參數(shù)的修改，既可以通過雙擊一個 目標（元器件、控件等）來進行，也可以在設 計窗口中激活顯示參數(shù)來實現(xiàn)。高級設置的修 改只能通過雙擊目標實現(xiàn)。 n在本例中，可以適當調整掃描參數(shù)，然后仿真， 在結果曲線上選擇合適的直流工作點，獲得相 應的直流偏置電壓（或電流）值。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析

10、 3.2晶體管S參數(shù)掃描 n選定晶體管的直流工作點后，可以進行 晶體管的S參數(shù)掃描，本節(jié)中選用的是 S參數(shù)模型sp_hp_AT- 41511_2_19950125，這一模型對應的 工作點為Vce=2.7V、Ic=5mA n下面給出進行S參數(shù)掃描的具體操作 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n選擇File New Design進入下面的對話框，在下 面選擇S-Params，在上面命名，為SP_of_spmod 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n然后新的Design文件生成，窗口如下 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調

11、試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n同3.1節(jié)對應 操作，加入sp 模型的晶體管， 并連接電路如 圖。地的設置 按上面的 鍵即可調入。 圖中的Term 也是在仿真中 要經常用到的 組件，用以表 示連接特征阻 抗的端口。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n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(shù)掃描的時候無需加入直 流偏置。 n觀察sp模型晶體管的參數(shù)顯示，在此例中，標 定的頻率適用范圍為0.15.1GHz，在仿真的時 候要注意。超出此范圍，雖然軟件可以根據(jù)插 值等方法外推除電路的特性，但是由于模型已 經失效，得到的數(shù)據(jù)通

12、常是不可置信的。 n在本例中，要在 控件中作相應的修 改。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n在 控件中修改參數(shù)如下 點擊 按鍵，進行仿真，彈出數(shù)據(jù)輸出窗口 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n數(shù)據(jù)輸出窗口如圖 所示，圖中以不同 形式顯示輸出S參數(shù)。 n如圖可見，晶體管 的輸入匹配并不好 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n這里介紹一下數(shù)據(jù)顯示格式的 控制。用于格式控制顯示的工 具欄位于視窗的左側。點擊相 應的工具，即可按照相應的數(shù) 據(jù)格式輸出仿真結果。里面的 Eqn用于自

13、定義相應的表達式， 可對仿真得到的結果進行運算 后輸出。以下介紹一些基本的 控制。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n點擊 ，激活的是 圖形顯示方式，在左 邊所列的參數(shù)列表中 選擇需要的參數(shù)，如： S(1,1)后，在點擊 將其加入右邊的顯示 列表。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n然后會彈出數(shù)據(jù)顯 示的格式，對于 S(1,1)，選擇dB。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n得到S(1,1)的顯示如圖所示 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-

14、sp模型 n點擊 ，激活的是數(shù)字 列表的顯示方式，仿照前 面，將需要的參數(shù)加入右 邊的顯示列表。 對于 S(1,1)默認的顯示是模/輻 角的格式。 n點擊 可以對結果的 輸出格式進行高級控制， 如右下圖設置為 dB(S(1,1)，注意字母的 大小寫，可以按照dB的格 式顯示。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n列表顯示如圖所示。 n選中列表后，工具 欄 被激 活，可翻頁查看所 有的數(shù)據(jù)。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n加入噪聲系數(shù)的仿真： 回到Design窗口，雙 擊 控件， 在Noise欄中，選中 然后仿

15、真， 進入數(shù)據(jù)輸出窗口。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型 n選擇適當?shù)母袷剑@示2端口的噪聲系數(shù) nf(2)。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計 n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。 n本節(jié)首先設計sp_hp_AT- 41511_2_19950125在2GHz處的輸入、輸 出匹配。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計構建原理電 路 n建立新的工程文件， 命名為spmod_LNA n在左

16、側選擇S參數(shù)仿真 工具欄 n如圖所示 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計構建原理電 路 n在庫中選出晶體管 ，放置 在原理圖窗口 n點擊 ，放置Term1，Term2兩個端口 n點擊 ，設置接地 n點擊 ，放置輸入阻抗測試控件 n點擊 ，放置S參數(shù)掃描控件 n修改S參數(shù)掃描控件的設置為需要值 n連接電路如下頁圖所示 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計構建原理電 路 n初始原理圖 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計測試輸入阻 抗 n仿真，在數(shù)據(jù)輸出窗 口觀察輸入阻抗 n由列表中可得到 2GHz點的輸入阻抗

17、為：20.083/19.829 n換算為實/虛部的形 式18.89j*6.81 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計輸入匹配設 計 n采用微帶線進行匹配，在此之前需要 設定微帶線的基本參數(shù)。 n在 和 工具欄里都有用于微帶線參數(shù)設置的 控件，單擊 ，在原理圖中放置微 帶參數(shù)設置控件。 n其中參數(shù)的含義是： nH:基板厚度 nEr:基板相對介電常數(shù) nMur:磁導率 nCond:金屬電導率 nHu:封裝高度 nT:金屬層厚度 nTanD:損耗角 nRoungh:表面粗糙度 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計輸入匹配設 計 n在MSub中，

18、修改參 數(shù)為需要值，如圖 所示 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計輸入匹配設 計 n選擇 工具欄 n如：采用單分支線 的匹配。點擊 ， 放置在原理圖中 n其中各參數(shù)的含義 請參閱幫助文檔。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計輸入匹配設 計 n下面使用ADS的綜合 工具，綜合出匹配網 絡。 n雙擊 進行參數(shù) 編輯，頻率設置為 2GHz，Zin設置為需 要匹配的目標值50， Zload設為前面仿真得 到的晶體管的輸入阻 抗。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計輸入匹配設 計 n選定 n在原理圖窗口的最上一 行

19、，選擇 后， 彈出窗口如圖 n選擇 ，綜合完畢 后，即可生成適合的匹 配網絡 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計輸入匹配設 計 n匹配網絡生 成后，點 擊 ，進入 匹配網絡的 子電路，如 圖所示。 n其中的T形接 頭 為計 算時考慮阻 抗突變引入 的。在實際 電路中并不 代表任何實 際長度的電 路，具體的 含義請參閱 幫助文檔。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸入匹配設計 n仿真結果：S參數(shù) 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸入匹配設計 n仿真結果： 輸入阻抗、 穩(wěn)定系數(shù)、 噪聲系數(shù) 實驗一低噪

20、聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n由以上的仿真結果可見，基本上電路已經達到 了比較好的性能，如：良好的輸入匹配、較高 的增益、穩(wěn)定系數(shù)和噪聲系數(shù)都比較好。 n另一方面，輸出匹配還不太好，電路的增益也 可能進一步的提高。 n以下進行輸出匹配設計 n需要說明的幾點： n實際上，輸出匹配的設計同輸入匹配一樣，可以采 用先計算輸出阻抗再由軟件綜合生成； n在下面的設計中采用的方法并不是合適的方法，僅 是為了介紹優(yōu)化工具的使用，請注意。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n對于輸出及也使用單分支線的結構進行匹配 n選

21、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。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n需要對微帶和接頭的參數(shù)進行調整 n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(jù)綜合時的 設置，這個寬度實際上就是50歐姆特征阻抗對應的線寬。因此， 在輸出匹配電路中，將所有的寬度設置為此寬度。如圖。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n優(yōu)化工具欄為 n點擊 ，加入優(yōu)化 控件 n點擊 ，加入優(yōu)化 目標控件 實驗一低

22、噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n根據(jù)優(yōu)化需要，添加一個新的S參數(shù)控件， 并將其頻率范圍設置在2GHz附近。如圖。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n設置優(yōu)化目標 n在2GHz附近降低 S(2,2) n同時2GHz附近的 S(1,1)保持盡量小 n由于是在當前的兩個 目標是在2GHz附近， 故相應參數(shù)設為”SP2” 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n激活微帶線的優(yōu)化 n雙擊需要優(yōu)化的微帶 n點擊 n然后激活優(yōu)化，并設置 優(yōu)化范圍（一般來說越 小越好） 實

23、驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n選擇適合的優(yōu)化方式， 準備優(yōu)化 n常用的主要是Random （隨機法）和Gradient （梯度法） n隨機法通常用于大范圍 搜索時使用，梯度法則 用于局域收斂。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n優(yōu)化前的電路圖 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n點擊 ，開始優(yōu)化。 n優(yōu)化結束后，選擇 Simulate工具中的更 新數(shù)據(jù)選項更新優(yōu)化 后的電路參數(shù)。 n使用 將優(yōu)化控件關 閉（ 用于激活對 象），再點擊 重新 仿真即

24、可得到優(yōu)化后 的電路特性。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n經過一次隨機優(yōu)化的S參數(shù)如圖 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設 計 n可見S(2,2)有了很大的改善，但同時 S(1,1)惡化了。 n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。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-綜合指標實現(xiàn) 將噪聲系數(shù)、放大器增益、穩(wěn)定系數(shù)都加入優(yōu)化 目標中進行優(yōu)化，并通過對帶內放大器增益的限制 來滿足增益平坦度指標，最終達到各個要

25、求指標。 如果電路穩(wěn)定系數(shù)變得很小(低于0.9)，難以達到 優(yōu)化目標，或者S(1,1)的值在整個頻帶內的某些頻 點在0dB以上，則需要加入負反饋，改善放大器的 穩(wěn)定性。 對部分電路指標的優(yōu)化可能導致其它某些指標的惡化，可 以根據(jù)需要增加一些優(yōu)化變量。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-原理圖 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.3 SP模型仿真設計-仿真結果 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.4封裝模型仿真設計 n進行完sp模型設計以后，需要將sp模型替換 為封裝模型來作進一步設計，有以下工作需 要進行 n將sp模型替換為封裝模型 n選擇直流工

26、作點并添加偏置電壓 n進行饋電電路的設計（電阻分壓、扇形線、高阻 線等的使用） n替換為封裝模型后各項參數(shù)會有所變化，如果不 滿足技術指標的話可以對封裝模型的原理圖再進 行仿真優(yōu)化。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.4封裝模型仿真設計-直流工作點的選擇 建立如下電路對器件的I-V特性進行仿真，以選擇直流工 作點。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 3.4封裝模型仿真設計-偏置電路的設 計 在設計偏置電路時，要為了防止交流信號 對直流電源的影響，在電源與饋電點之間 需要添加1/4波長高阻線以遏制交流信號。 注意如果電路中有終端短路的微帶線時， 為了避免直流短路，應在接地端插入隔

27、直 電容。 為了簡單起見，偏置電路設計可以不進行 原理圖仿真，直接在畫版圖時實現(xiàn)。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 （五）繪制電路版圖 n仿真完成后要根據(jù)結果用Protel軟件繪制電路版圖，繪制 版圖時要注意以下幾點 n偏置電路的設計和電源濾波電路的設計。 n所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下層整個作為接 地。 n根據(jù)版圖的大小尺寸要求調整功分器兩邊50歐姆阻抗線的長度，便 于安裝在測試架上 n在繪制版圖時受加工精度的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，線寬 要大于0.2mm。 n各個接地點要就近接地。 n由于制板時實際線寬往往要比設計線寬小0.01mm左右，在繪制版 圖時要考慮這個問題。 實驗一低噪聲放大器設計制作與 調試剖析 偏置電路設計舉例 圖中R1和C1、C2用作電源濾波，R2和R3用作分