ads射頻課程設(shè)計---低噪聲放大器設(shè)計與仿真

1、<p><b>　　信息學(xué)院</b></p><p>　　射頻電路設(shè)計課程設(shè)計</p><p>　　課 題：低噪聲放大器設(shè)計與仿真 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)老師： &

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

3、p>　　一、低噪聲放大器的功能和指標(biāo)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(shù)指標(biāo)3</p><p>　　二、低噪聲放大器的設(shè)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(shù)掃描 7</p><p>　　1.新建原理圖 7</p><p>　　2.S參數(shù)掃描 8</p><p>　　五、SP模型仿真設(shè)計 9</p><p>　　1.構(gòu)建原理圖 10</p><p>

5、　　2.SP模型的仿真 10</p><p>　　3.輸入匹配設(shè)計11</p><p>　　4.輸出阻抗匹配設(shè)計 13</p><p>　　六、綜合指標(biāo)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(shù)分析15</p><p>　　3.輸入駐波

6、比與輸出駐波比15</p><p><b>　　七、結(jié)論16</b></p><p>　　低噪聲放大器的功能和指標(biāo)</p><p><b>　　低噪聲放大器的功能</b></p><p>　　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

7、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：</p><p>　　S=-174+NF+10log(BW)+S/N</p><p>　　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

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(shù)指標(biāo)</p><p>　　低噪聲放大器的主要指標(biāo)包括：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：</

9、p><p>　　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</p><p>　　對于單級放大器而言，其噪聲系數(shù)為：</p><p>　　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)。</p><p>　

10、　對于多級放大器來說，其噪聲系數(shù)由下式?jīng)Q定：</p><p>　　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

11、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，則稱為最高靈敏度。 設(shè)天線的輸入信號為Es，則</p><p>　　為源內(nèi)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(shù)(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(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

13、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。</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(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

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(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。</p><p>　　低噪聲放大器的設(shè)計原則</p>

15、<p>　　在進行低噪聲放大器的實際設(shè)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(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。</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(shè)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(shè)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(shè)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(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(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。</p><p><b>　　晶體管的S參數(shù)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(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(yīng)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(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0.1~5.1GHz，雙擊在控件中作修改參數(shù)如右。</p><p><b>

22、　　S參數(shù)掃描</b></p><p>　　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(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)。</p><p>　　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)。 &

23、lt;/p><p>　　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。</p><p>　　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，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)

24、列表中選擇n(f2)，然后點擊，確認，然后在彈出的數(shù)據(jù)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</p><p><b>　　SP模型仿真設(shè)計</b></p><p>　　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

25、_AT-41511_2_19950125在2GHz處的輸入、輸出匹配。</p><p><b>　　構(gòu)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(shù)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(jié)束。</p><p>　　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。</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(shè)計</b></p><p>　　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。</p><p>　　選擇TLines-Microstrip元件面板，并在其中選擇微帶線參數(shù)配置工具

29、MSUB并插入到原理圖中。</p><p><b>　　其中參數(shù)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(shù)</p><p>　　􀂄 Mur:磁導(dǎo)率</p>

30、<p>　　􀂄 Cond:金屬電導(dǎo)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(shè)置微帶參數(shù),</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(shè)置，設(shè)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(shè)計過程。綜合完畢后，即可生成適合的匹配網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　匹配網(wǎng)絡(luò)生成后，點擊push into hierarchy，進入匹

33、配網(wǎng)絡(luò)的子電路，如圖所示。</p><p>　　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</p><p>　　電路連接完成后，執(zhí)行仿真，等待仿真結(jié)束。</p><p>　　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)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(shù)已經(jīng)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(shù)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(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。</p><p>

35、　　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50Ω。</p><p>　　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)。</p><p>　　但另一方面，輸出匹配設(shè)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(shè)計。</p>

36、<p><b>　　輸出阻抗匹配設(shè)計</b></p><p>　　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。</p><p>　　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

37、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。 </p><p>　　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。</p><p>　　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

38、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。</p><p>　　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。</p><p>　　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.

39、0mm到40mm。TL3的設(shè)置方法和參數(shù)同上。</p><p>　　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。</p><p>　　從圖中可以看出，經(jīng)過優(yōu)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）

40、和S（2，1）也有了不同程度的改善。</p><p>　　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。</p><p><b>　　綜合指標(biāo)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(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。</p><p>　　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。</p><p>　　使原理圖設(shè)計窗口中的優(yōu)化控件失效，進行仿真。</p><p>　　仿真結(jié)束后，在數(shù)據(jù)顯示窗口

42、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。</p><p><b>　　噪聲系數(shù)分析</b></p><p>　　數(shù)據(jù)顯示窗口中加入一個關(guān)于nf(2)的曲線，可以看出低噪聲放大器的噪聲系數(shù)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(shù)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(jié)束后，在系統(tǒng)中插入一個關(guān)于VSWR1的矩形圖和一個關(guān)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(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　初次接觸ADS軟件來設(shè)計和仿真低噪聲放大器，在設(shè)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(shè)計一樣電路，射頻電路設(shè)計與仿真，整體上是大學(xué)三年的專業(yè)的一個綜合，以前的基礎(chǔ)知

45、識必須扎實，不然每一個元件的性質(zhì)和功能不懂的話，去理解電路是很難的。所以，在設(shè)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(xué)習(xí)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(shè)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(xué)到了很多。過程中是有收獲的。同樣在設(shè)計時也遇到了很多問題，細心查閱資料詢問同學(xué)，最終得到了解決。</p>&l