ADS射頻課程設(shè)計

1、信息學(xué)院射頻電路設(shè)計課程設(shè)計課 題：低噪聲放大器設(shè)計與仿真 姓 名： 指導(dǎo)老師：粟向軍 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 目錄一、低噪聲放大器的功能和指標(biāo)31.低噪聲放大器的功能32.低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)3二、低噪聲放大器的設(shè)計原則5三、晶體管直流工作點的掃描61.建立工程和原理圖 62.直流工作點掃描 6四、晶體管的S參數(shù)掃描 71.新建原理圖 72.S參數(shù)掃描 8五、SP模型仿真設(shè)計 91.構(gòu)建原理圖 102.SP模型的仿真 103.輸入匹配設(shè)計114.輸出阻抗匹配設(shè)計 13六、綜合指標(biāo)的實現(xiàn)151.放大器穩(wěn)定性分析152.噪聲系數(shù)分析153.輸入駐波比與輸出駐波比15七、結(jié)論16一 低

2、噪聲放大器的功能和指標(biāo)1 低噪聲放大器的功能隨著通信技術(shù)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、覆蓋范圍大已成為各運營商乃至通信設(shè)備制造商的普遍要求，系統(tǒng)接收靈敏度由下式?jīng)Q定：S=-174+NF+10log(BW)+S/N式中NF為噪聲系數(shù)，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(guān)鍵因素是降低接收機的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機的噪聲系數(shù)的關(guān)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是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾。2. 低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)低噪聲放大器的主要指標(biāo)包括：

3、噪聲系數(shù)(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(biāo)是噪聲系數(shù)和放大增益。（1） 噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)是指信號通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲使信噪比變壞，而信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。其定義為：式中，n為放大器輸出端確定的信噪比。噪聲系數(shù)通常用分貝表示：NF(dB)=10lgNF對于單級放大器而言，其噪聲系數(shù)為：式中，F(xiàn)min為晶體管最小噪聲系數(shù)，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(shù)，是獲得最佳Fmin時的最佳源反射系數(shù)。對于多級放大器來說，其噪聲系數(shù)由下式?jīng)Q定：在某些噪聲系數(shù)要求極高的系統(tǒng)中，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表

4、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(shù)NF的換算關(guān)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(shù)。（2） 噪聲系數(shù)與接收機靈敏度的關(guān)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率(或電壓)。在理想條件下，接收機內(nèi)部噪聲所決定的靈敏度作為衡量接收機質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，則稱為最高靈敏度。 設(shè)天線的輸入信號為Es，則為源內(nèi)阻的熱噪聲，即Pni=4kTRsfn，于是其定義式可表示為：，可檢測的最小信號為：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(shù)(1.3810-23JK)，T為室溫17(290 K)。(3) 放大增益放大增益

5、定義為輸入功率與輸出功率之比： 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(shù)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益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機噪聲系數(shù)、接收機動態(tài)范圍結(jié)合起來考慮。(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(shè)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(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比設(shè)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，可插入損耗很小的隔離器方法解決。 (5) 動態(tài)范

6、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(chǎn)生非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點IIP3較高一點，至少比最大輸入信號高30 dB。二 低噪聲放大器的設(shè)計原則在進行低噪聲放大器的實際設(shè)計中，要注意以下幾點：（1） 放大管的選擇 對微波電路中應(yīng)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(shù)為幾個分貝，而砷化鎵小信號的場效應(yīng)管的工作頻率更高，并且噪聲系數(shù)在1dB一下。在該實驗中我們選取晶體管做放大管。（2

7、） 輸入輸出匹配電路的設(shè)計原則（3） 電路中壓根注意的一些問題（4） 日前低噪聲放大器方面的設(shè)計手段（5） 日前同行業(yè)低噪聲放大器的發(fā)展水平三 晶體管直流工作點的掃描1. 建立工程和創(chuàng)建原理圖（1） 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(shè)計窗口。（2） 選擇File/New Design新建一個原理圖，命名為bjt_curve,并在Schematic Design Temples欄中選擇“BJT_curve_tracer”。（3） 點擊，打開元件庫，

8、在中輸入41511，對41511的查詢結(jié)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(shù)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(rèn)線完全接好 圖 接入BJT的BJT_curve_tracer模板2. 直流工作點掃描按Simulate鍵，開始仿真，仿真結(jié)束，彈出結(jié)果窗口，如下，矩形圖中就是BJT的直流工作點掃描曲線。四 晶體管的S參數(shù)掃描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_，這一模型對應(yīng)的工作點為Vce=2.7

9、V、Ic=5mA。1. 新建原理圖(1) 新建一個原理圖，命名為SP_of_spmod, 并在Schematic Design Temples欄中選擇“S-Params”。 然后新的Design文件生成，窗口如下(2) 加入sp模型的晶體管，并連接電路如圖(3) 由于sp模型本身已經(jīng)對應(yīng)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。觀察sp模型晶體管的參數(shù)顯示，在此例中，標(biāo)定的頻率適用范圍為0.15.1GHz，雙擊在控件中作修改參數(shù)如右。2. S參數(shù)掃描(1) 點擊按鍵，進行仿真。仿真結(jié)束后，系統(tǒng)彈出數(shù)據(jù)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(shù)和S(

10、2,2)參數(shù)，它們分別表示了BJT的輸入端口反射系數(shù)和輸出端口反射系數(shù)。下圖列出了BJT模型的S(1,1)參數(shù)和S(2,2)參數(shù)，它們分別表示了BJT的正向和反射的功率傳輸參數(shù)。 (2) 接著點擊，激活的是數(shù)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(rèn)就可在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個關(guān)于S(1,1)的數(shù)據(jù)列表，就可以觀察在每個頻率處的S(1,1)參數(shù)的幅度和相位值了。如右圖所示。(3) 雙擊圖中的S參數(shù)仿真控制器，選中其中的Calculate Noise選項，單擊確認(rèn)，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(shù)列表中選擇n(f2)，然后點擊，確認(rèn)，然后在彈出的數(shù)據(jù)

11、顯示格式對話框中選擇dB，就在數(shù)據(jù)框中插入了一個關(guān)于n(f2)的矩形圖，如下圖所示五 SP模型仿真設(shè)計很多時候，在對封裝模型進行仿真設(shè)計前，通過預(yù)先對sp模型進行仿真，可以獲得電路的大概指標(biāo)。sp模型的設(shè)計，通常被作為電路設(shè)計的初級階段。本節(jié)首先設(shè)計sp_hp_AT-41511_2_在2GHz處的輸入、輸出匹配。1. 構(gòu)建原理圖(1) 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”。(2) 在庫中選出晶體管sp_hp_AT-41511_2_，放在原理圖窗口。(3) 點擊，放置負(fù)載終端元件Term1

12、，Term2兩個端口。(4) 然后在原理圖中插入兩個地線。(5) 點擊，放置輸入阻抗測試控件Zin，插入到原理圖中。(6) 點擊，放置S參數(shù)掃描控件。并修改為上一節(jié)中的相同值。(7) 連接電路圖如下。2. SP模型的仿真(1) 執(zhí)行仿真，并等待結(jié)束。仿真結(jié)束后，在彈出的數(shù)據(jù)顯示窗口中插入一個關(guān)于輸入阻抗Zin1的數(shù)據(jù)列表，如圖所示。(2) 由列表中可得到2GHz點的輸入阻抗為：20.083/19.829。換算為實/虛部的形式為18.89j*6.81。3. 輸入匹配設(shè)計本部分將為SP模型設(shè)計一個輸入的茶杯網(wǎng)絡(luò)，匹配網(wǎng)絡(luò)是采用微帶線實現(xiàn)的，具體過程如下。(1) 選擇TLines-Microstri

13、p元件面板，并在其中選擇微帶線參數(shù)配置工具MSUB并插入到原理圖中。(2) 其中參數(shù)的含義是： H:基板厚度 Er:基板相對介電常數(shù) Mur:磁導(dǎo)率 Cond:金屬電導(dǎo)率 Hu:封裝高度 T:金屬層厚度 TanD:損耗角 Roungh:表面粗糙度(3) 雙擊MSUB控件，設(shè)置微帶參數(shù),如圖右所示。(4) 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。(5) 雙擊SSMtch進行設(shè)置，設(shè)置好后如圖所示。(6) 選中SSMtch電路，并單擊菜單欄中的DesignGuidePassive Curcuit,在此時系統(tǒng)彈出窗口

14、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(shè)計過程。綜合完畢后，即可生成適合的匹配網(wǎng)絡(luò)。(7) 匹配網(wǎng)絡(luò)生成后，點擊push into hierarchy，進入匹配網(wǎng)絡(luò)的子電路，如圖所示。(8) 設(shè)計完成后，單擊pop out按鈕返回SP仿真的原理圖中，將剛剛設(shè)計的匹配電路插入到圖電路中，作為輸入匹配電路，如下(9) 電路連接完成后，執(zhí)行仿真，等待仿真結(jié)束。(10) 仿真結(jié)束后在數(shù)據(jù)顯示窗口中查看電路的S（1，1）參數(shù)和S（2，2）參數(shù)的史密斯圓圖，并在頻率為2GHz處分別插入標(biāo)

15、記，如下圖。從圖中可以看出，對于輸入端口來說，反射系數(shù)已經(jīng)很小了，并且輸入阻抗也接近負(fù)載阻抗50；但對于輸出端口來說，反射系數(shù)仍然不是很小，且輸出阻抗與負(fù)載阻抗還有一定的差距。(11) 觀察數(shù)據(jù)顯示窗口中關(guān)于S（1，2）參數(shù)和S（2，1）參數(shù)的矩形圖。從圖中也可以看出，S（1，2）參數(shù)和S（2，1）參數(shù)也有一定的改善。(12) 在數(shù)據(jù)顯示窗口中查看阻抗Zin1的數(shù)據(jù)列表，職下圖所示，從圖中也可以看出，當(dāng)頻率為2GHz時，電路的輸入阻抗接近50。由以上的仿真結(jié)果可見，電路基本上已經(jīng)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(shù)和噪聲系數(shù)。但另一方面，輸出匹配設(shè)計匹配還不太好，電路的

16、增益也可進一步的提高。下面就進行輸入阻抗匹配設(shè)計。4. 輸出阻抗匹配設(shè)計(1) 對于輸出及也使用單分支線的結(jié)構(gòu)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(diào)整。(2) 由輸入匹配的設(shè)計，可知輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的線寬為1.558mm（當(dāng)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(shè)置，這個寬度實際上就是50歐姆特征阻抗對應(yīng)的線寬。因此，在輸出匹配電路中，將所有的寬度設(shè)置為此寬度。如圖。 (3) 完成微帶線參數(shù)后，將輸出匹配網(wǎng)絡(luò)連接到SP模型中去，如下圖所示。(4) 在原理圖設(shè)計窗口的optim/stat/yield/DOE元件面板列表中選擇一個優(yōu)化控件Op

17、tim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(shù)。再在列表中選擇2 個優(yōu)化目標(biāo)控件GOAL，并插入到原理圖中進行設(shè)置，設(shè)置好后如圖所示。插入一個新的S參數(shù)仿真控制器，并將其頻率范圍設(shè)置在2GHz附近，如右圖。設(shè)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(shè)置好后如圖所示，就把優(yōu)化范圍設(shè)置為2.0mm到40mm。TL3的設(shè)置方法和參數(shù)同上。進行仿真，仿真結(jié)束觀察S（1，1），S（1，2）S（2，1）S（2，2）的數(shù)據(jù)曲線如下圖所示。從圖中可以看出，經(jīng)過優(yōu)

18、化后，S（1，1）的參數(shù)反而不如不加輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)前，這是由于加入匹配網(wǎng)絡(luò)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）和S（2，1）也有了不同程度的改善。反復(fù)調(diào)整優(yōu)化方法、優(yōu)化目標(biāo)中的權(quán)重Weight，還可以對輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，最終得到合適的結(jié)果。六 綜合指標(biāo)的實現(xiàn)1. 放大器穩(wěn)定性分析首先來分析放大器的穩(wěn)定性，放大器的穩(wěn)定性理放大器的一個重要的指標(biāo)，如果電路穩(wěn)定系數(shù)變得很?。ǖ陀?.9），則難以達到預(yù)期性能。(1) 在simulation-s_param元件面板中選擇一個穩(wěn)定系數(shù)測量控件StatbFct，并插入到原理圖中，如右圖所示。(2) 使原理圖設(shè)計窗口中的優(yōu)化控件失效，進行仿真。(3) 仿真結(jié)束后，在數(shù)據(jù)顯示窗口中加入一個善于穩(wěn)定系數(shù)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(nèi)，放大器的穩(wěn)定系數(shù)都在于1，滿足設(shè)計要求。2. 噪聲系數(shù)分析數(shù)