微波電路與系統(tǒng)仿真實驗3課件

實驗3低噪聲放大器設(shè)計與仿真2012年9月SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina低噪聲放大器設(shè)計與仿真實驗?zāi)康模毫私馕⒉ǖ驮肼暦糯笃鞯募夹g(shù)指標(biāo)和設(shè)計方法；掌握使用ADS軟件進(jìn)行微波有源電路的設(shè)計、仿真與優(yōu)化。低噪聲放大器設(shè)計與仿真實驗內(nèi)容：3.1低噪聲放大器的基礎(chǔ)知識3.2晶體管直流工作點掃描3.3晶體管S參數(shù)掃描3.4SP模型的仿真設(shè)計2.低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)放大器增益增益平坦度穩(wěn)定系數(shù)輸入輸出駐波比通頻帶、中心頻率輸出功率…

噪聲系數(shù)定義：放大器輸入信號與輸出信號信噪比的比值。放大器輸入輸出

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輸入信號功率和輸入噪聲功率。

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輸出信號功率和輸出噪聲功率。物理含義：信號通過放大器后，信噪比變壞的倍數(shù)。單位：放大器增益定義：放大器輸出功率與輸入功率的比值。

提高低噪聲放大器的增益對降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)是非常有利的，但是低噪聲放大器的增益過高會影響到整個接收機(jī)的動態(tài)范圍。因此，一般來說，低噪聲放大器的增益應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)的動態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。3.低噪聲放大器的設(shè)計方法選擇合適的晶體管，下載并安裝晶體管的庫文件。進(jìn)行直流分析，確定直流工作點。偏置電路設(shè)計。穩(wěn)定性分析。噪聲系數(shù)圓和輸入匹配設(shè)計。最大增益的輸出匹配設(shè)計。匹配網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。版圖的設(shè)計。原理圖和版圖的聯(lián)合仿真。選擇合適的放大管雙極性晶體管BJT場效應(yīng)管GaAsFET高遷移率晶體管HEMT、PHEMT具有極低的NF例：2GHz

NF=0.5dB穩(wěn)定性分析根據(jù)管子參數(shù)計算穩(wěn)定系數(shù)K，判斷其是否工作在穩(wěn)定區(qū)。4.軟件仿真注意事項仿真時模型的選擇1晶體管sp模型：屬于小信號線性模型，模型中已經(jīng)帶有了確定的直流工作點，和在一定范圍內(nèi)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(jié)果，對于某些應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，不能用來做大信號的仿真，或者直流饋電電路的設(shè)計，不能直接生成版圖。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。軟件仿真注意事項仿真時模型的選擇2集總參數(shù)元件：電容、電阻、電感在進(jìn)行電路優(yōu)化時，可直接選用參數(shù)連續(xù)變化的模型在系統(tǒng)設(shè)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(jié)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。5.低噪聲放大器的設(shè)計指標(biāo)設(shè)計指標(biāo)：頻率：1.8~2.2GHz噪聲系數(shù)：<3.0dB增益：>10dB增益平坦度：<0.5dB/5MHz(帶內(nèi))輸入駐波比：<2.0輸出駐波比：<2.5此處選擇Agilent公司的AT41511，也可選擇其他公司的管子。建立工程建立工程的具體步驟如下：運行ADS，彈出ADS的主窗口。選擇【File】→【NewProject】命令，彈出“NewProject”（新建工程）對話框。對話框中的默認(rèn)工作路徑為“C:\Users\defaults\”，在路徑的末尾輸入工程名：lna。在【ProjectTechnologyFiles】欄中選擇“ADSStandard：Lengthunit-millimeter”，即工程中的默認(rèn)長度單位為毫米。點擊【OK】按鈕，完成新建工程，此時原理圖設(shè)計窗口會自動打開。建立工程輸入工程名選擇工程中的默認(rèn)長度單位新建工程對話框晶體管直流工作點掃描晶體管直流工作點掃描的具體步驟如下：選擇【File】→【NewDesign…】在工程中新建一個原理圖。在新建設(shè)計窗口中給新建原理圖命名，此處命名為“bjt_curve”，并在【SchematicDesignTemples】欄中選擇“BJT_curve_tracer”，這是個專門用來掃描BJT工作點的模板。BJT工作測試模板點擊【OK】按鈕確認(rèn)，新的原理圖窗口會被打開。窗口中有系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計好的組件和控件。參數(shù)掃描控件元件庫窗口單擊工作欄中的按鈕【DisplayComponentLibraryList】，打開元件庫“ComponentLibrary”。在【Component】的【Search】中輸入元件名稱“41511”，按Enter鍵，可以看到該種晶體管的不同模型。選擇pb開頭的模型“pb_hp_AT41511_19950125”，切換到Design窗口，放入晶體管，按Esc鍵終止當(dāng)前操作。注意：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。按Simulate鍵，開始仿真，這時會彈出一個窗口，該窗口會顯示仿真或者優(yōu)化的過程信息。如果出現(xiàn)錯誤，里面會給出出錯信息，應(yīng)該注意查看。仿真結(jié)束，彈出結(jié)果窗口，如下圖。直流工作點掃描曲線直流工作點和功耗因采用的是ADS的設(shè)計模板，故數(shù)據(jù)顯示都已經(jīng)設(shè)置好了。一般情況下，數(shù)據(jù)的顯示需要人為自行設(shè)置。注意:關(guān)閉的時候要保存為適宜的名字。圖中的Marker可用鼠標(biāo)拖動。偏置電路原理圖執(zhí)行菜單命令【DesignGuide】→【Amplifier】彈出放大器向?qū)υ捒?，選擇”Tools→TransistorBiasUtility“對晶體管的直流偏置參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。偏置向?qū)?shù)設(shè)計點擊該按鈕，并選擇Vce=2.7V,Ic5mA的點作為偏置點。點擊【Design】按鈕，此時會彈出”BiasNetworkSelection“對話框，點擊【OK】，會生成直流偏置電路，結(jié)果如右下圖。選擇偏置設(shè)置元件，并點擊查看子電路。所得到的偏置電路圖如下圖所示。實際電路中需將電阻用相近的常規(guī)標(biāo)稱值電阻代替。新建偏置電路原理圖如下，可命名為“bjt_biascircuit”。仿真后，并點擊【Simulation】→【AnnotateDCSolution】可看到各節(jié)點電壓電流。穩(wěn)定性分析新建電路原理圖如下，可命名為“bjt_stab”。射頻扼流電路隔直電容仿真之后，得到穩(wěn)定系數(shù)K和最大增益仿真結(jié)果如下所示。穩(wěn)定系數(shù)K（穩(wěn)定性判別系數(shù)）：此處K<1，放大器電路不穩(wěn)定。需加入負(fù)反饋電路。在晶體管發(fā)射極加入小電感作為負(fù)反饋，并將其電感值設(shè)為變量，利用主菜單【Simulate】→【Tuning…】功能調(diào)整電感值，同時觀察穩(wěn)定系數(shù)K的變化，選擇合適的電感值，使K在工作頻率范圍內(nèi)均大于1。將電感值改為標(biāo)稱值。最后得到的仿真結(jié)果如下圖所示，K在工作頻率范圍內(nèi)均大于1。自學(xué)請同學(xué)們下去自學(xué)晶體管的交流仿真。3.3晶體管的S參數(shù)掃描

選定晶體管的直流工作點后，就可以進(jìn)行晶體管的S參數(shù)掃描和穩(wěn)定性分析。本節(jié)選用S參數(shù)模型：sp_hp_AT-41511_2_19950125，該模型對應(yīng)的工作點為Vce=2.7V、Ic=5mA。晶體管S參數(shù)的掃描晶體管的S參數(shù)掃描晶體管S參數(shù)掃描的具體步驟如下：選擇【File】→【NewDesign…】在工程中新建一個原理圖。在新建設(shè)計窗口中給新建原理圖命名，此處命名為“SP_of_spmod”，并在【SchematicDesignTemples】欄中選擇“S_Params”，這是個專門用來掃描S參數(shù)的模板。輸入原理圖名選擇模板點擊【OK】按鈕確認(rèn)，新的原理圖窗口會被打開。窗口中有系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計好的組件和控件。S參數(shù)掃描模板選擇sp開頭的模型“sp_hp_AT-41511_2_19950125”，切換到Design窗口，放入晶體管，按Esc鍵終止當(dāng)前操作。連接元件，并修改S參數(shù)仿真器的頻率設(shè)置，然后進(jìn)行仿真。仿真之后，可得到右圖所示的S參數(shù)仿真結(jié)果。另外，從圖中可看出，晶體管的輸入匹配不好。修改S參數(shù)仿真器，加入噪聲系數(shù)的仿真。嘗試以列表形式顯示數(shù)據(jù)，通過工具欄上的按鈕可查看后面的數(shù)據(jù)。前后翻頁，查看數(shù)據(jù)3.4SP模型的仿真設(shè)計

很多時候，在對封裝模型進(jìn)行仿真設(shè)計前，通過預(yù)先對SP模型進(jìn)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_19950125在2GHz處的輸入、輸出匹配。

輸入匹配設(shè)計輸出匹配設(shè)計輸入匹配設(shè)計點擊，放置輸入阻抗測試控件Zin，插入到原理圖中。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。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18.89＋j*6.81。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:表面粗糙度選擇TLines-Microstrip元件面板，并在其中選擇微帶線參數(shù)配置工具M(jìn)SUB并插入到原理圖中。選擇菜單【DesignGuide】→【PassiveCircuit】菜單，選擇【PassiveCircuitControlWindow】，進(jìn)入【PassiveCircuitDesignGuide】元件面板，點擊并選擇單分支線匹配，插入到原理圖中，并修改其參數(shù)。轉(zhuǎn)到PassiveCircuitDesignGuide窗口，點擊Design。請注意選擇其中的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。匹配網(wǎng)絡(luò)生成后，返回到原理圖窗口，點擊

，進(jìn)入匹配網(wǎng)絡(luò)的子電路。設(shè)計完成后，單擊按鈕返回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。對電路進(jìn)行仿真，并查看結(jié)果。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50Ω；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。

請自行查看S21和S12、Zin、nfmin、nf(2)的仿真結(jié)果。在原理圖中添加Zin控件，并改為輸出阻抗，如下如所示。

輸出匹配設(shè)計1可采用與輸入匹配設(shè)計相似的方法進(jìn)行設(shè)計。

輸出匹配設(shè)計2對于輸出及也使用單分支線的結(jié)構(gòu)進(jìn)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，元件的方向可以按需要調(diào)整。

在原理圖設(shè)計窗口的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(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(jìn)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