低噪聲放大器的設計制作與調(diào)試

1、低噪聲放大器的設計與仿真,,（一） 目的,了解低噪聲放大器的工作原理及設計方法。學習使用ADS軟件進行微波有源電路的設計，優(yōu)化，仿真。掌握低噪聲放大器的制作及調(diào)試方法。,（二） 內(nèi)容,了解微波低噪聲放大器的工作原理。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。根據(jù)軟件設計的結果繪制電路版圖，并加工成電路板。對加工好的電路進行調(diào)試，使其滿足設計要求。,（三）低噪聲放大器的技術指標,輸入輸出反射系數(shù)噪聲系數(shù)

2、放大器增益穩(wěn)定系數(shù)通帶內(nèi)的增益平坦度,（四）用ADS軟件設計低噪聲放大器,本節(jié)內(nèi)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。,1.放大器設計的基本準備,需要明確的概念S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(diào)與1dB壓縮點、穩(wěn)定性、匹配。。。需要學習的知識匹配電路有哪些形式對晶體管如何饋

3、電And so on…,2.軟件仿真中需要注意的幾個問題,要有好的軟件設計習慣各種文件的命名電路的布局以及參數(shù)的設置和選擇要有合理的設計順序要記住你在使用的是軟件物理概念要明確，不要在無意義的地方花時間比如：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。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(diào)等非線性的曲線（看了也是錯的），微帶線仿真的時候，注意要L>W，

4、軟件中的模型才是對的。等等。注意如何規(guī)劃仿真，才能盡快得到需要的電路要按照先局部后整體的優(yōu)化，切忌直接全局優(yōu)化，最好能夠預先計算設置優(yōu)化元件的初值。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。養(yǎng)成不明白就多看看help的習慣,2.軟件仿真中需要注意的幾個問題,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

5、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果，對于某些應用來說已經(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,2.軟件仿真中需要注意的幾個問題,仿真時模型的選擇2集總參數(shù)元件電容、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

6、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。,3.ADS的使用,啟動軟件后建立新的工程文件并打開原理圖設計窗口。,3.1晶體管直流工作點掃描,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。,3.1晶體管直流工作點掃描,選擇File ? New

7、Design…進入下面的對話框在下面選擇BJT_curve_tracer，在上面給新建的Design命名，這里命名為BJT Curve,3.1晶體管直流工作點掃描,在新的Design中，會有系統(tǒng)預先設置好的組件和控件，如下圖,3.1晶體管直流工作點掃描,如何在Design中加入晶體管點擊 ，打開元件庫,3.1晶體管直流工作點掃描,選擇需要的晶體管，可以點擊 查詢,3.1晶體管直流工作點掃描,對41511的查詢結果如下

8、，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Esc鍵終止當前操作。,3.1晶體管直流工作點掃描,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，由于此晶體管發(fā)射極有兩個管腳，在此處接一個即可。,3.1晶體管直流工作點掃描,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

9、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。,3.1晶體管直流工作點掃描,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(jīng)設置好了。一般情況下，數(shù)據(jù)的顯示需要人為自行設置。,3.1晶體管直流工作點掃描,典型仿真結果圖,3.1晶體管直流工作點掃描,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Des

10、ign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(jīng)常用到。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)。在本例中，可以適當調(diào)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。,3.2晶體管S參數(shù)掃描,選定晶體

11、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下面給出進行S參數(shù)掃描的具體操作,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,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,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,然后新的Design文件生成，窗口如下

12、,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,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(diào)入。圖中的Term也是在仿真中要經(jīng)常用到的組件，用以表示連接特征阻抗的端口。,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,由于sp模型本身已經(jīng)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。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0.1~5.1GHz，在仿真的時候要注意。超出此

13、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(jīng)失效，得到的數(shù)據(jù)通常是不可置信的。在本例中，要在 控件中作相應的修改。,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,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,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,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)。如圖可見，晶體管的輸入匹配并不好,3

14、.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,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。,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,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。,3.2晶

15、體管S參數(shù)掃描-sp模型,然后會彈出數(shù)據(jù)顯示的格式，對于S(1,1)，選擇dB。,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,得到S(1,1)的顯示如圖所示,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,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。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

16、dB的格式顯示。,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,列表顯示如圖所示。選中列表后，工具欄 被激活，可翻頁查看所有的數(shù)據(jù)。,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,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 然后仿真，進入數(shù)據(jù)輸出窗口。,3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型,選擇適當

17、的格式，顯示2端口的噪聲系數(shù)nf(2)。,3.3 SP模型仿真設計,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_AT-41511_2_19950125在2GHz處的輸入、輸出匹配。,3.3 SP模型仿真設計—構建原理電路,建立新的工程文件，命名為spmod_LNA在左側選擇S參數(shù)仿真工具欄

18、 如圖所示,3.3 SP模型仿真設計—構建原理電路,在庫中選出晶體管 ，放置在原理圖窗口點擊 ，放置Term1，Term2兩個端口點擊 ，設置接地點擊 ，放置輸入阻抗測試控件點擊 ，放置S參數(shù)掃描控件修改S參數(shù)掃描控件的設置為需要值連接電路如下頁圖所示,3.3 SP模型仿真設計—構建原理電路,初始原理圖,3.3 SP模型仿真設計—測

19、試輸入阻抗,仿真，在數(shù)據(jù)輸出窗口觀察輸入阻抗由列表中可得到2GHz點的輸入阻抗為：20.083/19.829換算為實/虛部的形式18.89＋j*6.81,3.3 SP模型仿真設計—輸入匹配設計,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)。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)

20、設置控件。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:磁導率Cond:金屬電導率Hu:封裝高度T:金屬層厚度TanD:損耗角Roungh:表面粗糙度,3.3 SP模型仿真設計—輸入匹配設計,在MSub中，修改參數(shù)為需要值，如圖所示,3.3 SP模型仿真設計—輸入匹配設計,選擇 工具欄如：采用單分支線的匹配。點擊 ，放置在原理圖中其中各參數(shù)的含義請參

21、閱幫助文檔。,3.3 SP模型仿真設計—輸入匹配設計,下面使用ADS的綜合工具，綜合出匹配網(wǎng)絡。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。,3.3 SP模型仿真設計—輸入匹配設計,選定在原理圖窗口的最上一行，選擇 ? ?

22、 后，彈出窗口如圖選擇 ，綜合完畢后，即可生成適合的匹配網(wǎng)絡,3.3 SP模型仿真設計—輸入匹配設計,匹配網(wǎng)絡生成后，點擊 ，進入匹配網(wǎng)絡的子電路，如圖所示。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。,3.3 SP模型仿真設計-輸入匹配設計,仿真結果：S參數(shù),3.3 SP模型仿真設計-輸入匹配設計,仿真結果：輸入阻抗、

23、穩(wěn)定系數(shù)、噪聲系數(shù),3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,由以上的仿真結果可見，基本上電路已經(jīng)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。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。以下進行輸出匹配設計需要說明的幾點：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；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。,3

24、.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,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(diào)整。,3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,需要對微帶和接頭的參數(shù)進行調(diào)整由輸入匹配的設計，可知輸入匹配網(wǎng)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

25、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。,3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,優(yōu)化工具欄為點擊 ，加入優(yōu)化控件點擊 ，加入優(yōu)化目標控件,3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,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。,3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,設置優(yōu)化目標在2GHz附近降低S(2,2)

26、同時2GHz附近的S(1,1)保持盡量小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”,3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,激活微帶線的優(yōu)化雙擊需要優(yōu)化的微帶點擊然后激活優(yōu)化，并設置優(yōu)化范圍（一般來說越小越好）,3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,選擇適合的優(yōu)化方式，準備優(yōu)化常用的主要是Random（隨機法）和Gradient（梯度法）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。,3.3

27、SP模型仿真設計-輸出匹配設計,優(yōu)化前的電路圖,3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,點擊 ，開始優(yōu)化。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)。使用 將優(yōu)化控件關閉（ 用于激活對象），再點擊 重新仿真即可得到優(yōu)化后的電路特性。,3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,經(jīng)過一次隨機優(yōu)化的S參數(shù)如圖,3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計,可見S(2,2)有了很大的改善，但同

28、時S(1,1)惡化了。反復調(diào)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(wǎng)絡進行優(yōu)化，最終得到合適的結果。,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(nèi)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(nèi)的某些頻點在0dB以上，則需要加入

29、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。,3.3 SP模型仿真設計-原理圖,3.3 SP模型仿真設計-仿真結果,3.4封裝模型仿真設計,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將sp模型替換為封裝模型選擇直流工作點并添加偏置電壓進行饋電電路的設計（電阻分壓、扇形線、高阻線等的使用）替換為封裝模型后各項參數(shù)會有所變

30、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。,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。,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，應在接地端插入隔直電容。 為了簡單起見，偏置電路設計

31、可以不進行原理圖仿真，直接在畫版圖時實現(xiàn)。,（五）繪制電路版圖,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偏置電路的設計和電源濾波電路的設計。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。根據(jù)版圖的大小尺寸要求調(diào)整功分器兩邊50歐姆阻抗線的長度，便于安裝在測試架上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。各個接地點要就近接地。由于制板時

32、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。,,偏置電路設計舉例,圖中R1和C1、C2用作電源濾波，R2和R3用作分壓，以提供合適的直流偏置電壓。,電路版圖舉例,（六）低噪聲放大器的制作與調(diào)試,對照設計版圖檢查加工好的微波電路板（包括微帶線尺寸，電源輸出，沉銅孔的位置等），并按照所用的電路元件表準備元器件。按照電路原理圖進行焊接，首先焊接放大器的供電部分，通電檢查電壓正確后再焊接其他無源器件（電阻，電容，電

33、感），最后將晶體管按正確方式焊接。在檢查焊接無誤后，將電路板安裝到測試架上，接通直流電源測量放大器的直流工作點，并進行調(diào)整，使其滿足設計要求。,低噪聲放大器的制作與調(diào)試（續(xù)）,按下面的測試框圖對放大器的各項指標進行測試（網(wǎng)絡分析儀和噪聲儀的使用參照儀器說明）。注意：在測試前必須檢查放大器的輸入輸出端是否已接耦合電容，否則會造成儀器損壞。 S參數(shù)測試框圖 噪聲系數(shù)測試框圖,需要測試

34、的參數(shù)主要有以下幾個S11，S22：輸入、輸出端的反射系數(shù)S21：傳輸系數(shù)，由此可測得放大器的增益噪聲系數(shù)將測試結果與仿真結果相比較，并看其是否滿足設計指標。若不滿足設計指標，則對結果進行分析后，通過調(diào)整元器件的參數(shù)（電容，電感，電阻的值），使其達到設計指標。,低噪聲放大器的制作與調(diào)試（續(xù)）,思考題,穩(wěn)定系數(shù)為什么要在包括通帶的全頻域內(nèi)滿足條件？設計低噪聲放大器的匹配電路和其它匹配電路有什么不同的地方？Sp模型能否進行I-