ADS設(shè)計低噪聲放大器的詳細步驟

1、實驗五低噪聲放大器的設(shè)計制作與調(diào)試 （一） 實驗目的n了解低噪聲放大器的工作原理及設(shè)計方法。n學習使用ADS軟件進行微波有源電路的設(shè)計，優(yōu)化，仿真。n掌握低噪聲放大器的制作及調(diào)試方法。（二） 實驗內(nèi)容n了解微波低噪聲放大器的工作原理。n使用ADS軟件設(shè)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(shè)計的結(jié)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(diào)試，使其滿足設(shè)計要求。（三）低噪聲放大器的技術(shù)指標 輸入輸出反射系數(shù) 噪聲系數(shù) 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(shè)計低噪聲軟件設(shè)計低噪聲放大器放大器 本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計低噪聲放大器的方法：包

2、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(shè)計低噪聲放大器的方法。1.放大器設(shè)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(diào)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 on2.軟件仿真中需要注意的幾個問題n要有好的軟件設(shè)計習慣n各種文件的命名n電路的布局以及參數(shù)的設(shè)置和選擇n要有合理的設(shè)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。

3、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(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，最好能夠預先計算設(shè)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(jié)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2.軟件仿真中需要注意的幾個問題n仿真時模型的選擇1n晶體管nsp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

4、。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。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n仿真時模型的選擇2n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(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。3.ADS的使用n啟動軟件后建立新的工

5、程文件并打開原理圖設(shè)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(shè)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 Curve3.1晶體管直流工作點掃描n在新的Design中，會有系統(tǒng)預先設(shè)置好的組件和控件，如下圖3.1晶體管直流工作點掃描n如何在Design中加入晶體管n點擊 ，打開元件庫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3.1

6、晶體管直流工作點掃描n對41511的查詢結(jié)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。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(yīng)該注意查看。3.1晶體管直流工作點掃描n仿真結(jié)束，彈出結(jié)果窗口，如下頁圖。注意關(guān)

7、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(shè)計模板，所以這里的數(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。3.1晶體管直流工作點掃描n典型仿真結(jié)果圖3.1晶體管直流工作點掃描n實際上，模板中預設(shè)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(jīng)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(shè)計窗口中激活顯示參數(shù)來實現(xiàn)。高級設(shè)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(diào)整掃描參數(shù)，然后仿真，在結(jié)果曲

8、線上選擇合適的直流工作點，獲得相應(yīng)的直流偏置電壓（或電流）值。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(yīng)的工作點為Vce=2.7V、Ic=5mAn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_spmod3.2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3.2晶體管S參數(shù)掃描-sp模型n同3.1節(jié)對應(yīng)操作，加入sp模型的晶體管，

9、并連接電路如圖。地的設(shè)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n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。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(jīng)失效，得到的數(shù)據(jù)通常是不可置信的。n在本例中，要在 控件中作相應(yīng)的修改。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3.2晶體管S參數(shù)

10、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(cè)。點擊相應(yīng)的工具，即可按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式輸出仿真結(jié)果。里面的Eqn用于自定義相應(yīng)的表達式，可對仿真得到的結(jié)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。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。3.

11、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3.2晶體管S參數(shù)掃描-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(jié)果的輸出格式進行高級控制，如右下圖設(shè)置為dB(S(1,1)，注意字母的大小寫，可以按照dB的格式顯示。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)。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 然后仿真，進入數(shù)據(jù)輸出窗口。3.2晶體管S參數(shù)掃

12、描-sp模型n選擇適當?shù)母袷?，顯示2端口的噪聲系數(shù)nf(2)。3.3 SP模型仿真設(shè)計n很多時候，在對封裝模型進行仿真設(shè)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(shè)計，通常被作為電路設(shè)計的初級階段。n本節(jié)首先設(shè)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(shè)計構(gòu)建原理電路n建立新的工程文件，命名為spmod_LNAn在左側(cè)選擇S參數(shù)仿真工具欄 n如圖所示3.3 SP模型仿真設(shè)計構(gòu)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(shè)置接地n點擊 ，放置輸入阻抗測試

13、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(shè)置為需要值n連接電路如下頁圖所示3.3 SP模型仿真設(shè)計構(gòu)建原理電路n初始原理圖3.3 SP模型仿真設(shè)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點的輸入阻抗為：20.083/19.829n換算為實/虛部的形式18.89j*6.813.3 SP模型仿真設(shè)計輸入匹配設(shè)計n采用微帶線進行匹配，在此之前需要設(shè)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(shè)置的控件，單擊 ，在原理圖中放置微帶參數(shù)設(shè)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:

14、封裝高度nT:金屬層厚度nTanD:損耗角nRoungh:表面粗糙度3.3 SP模型仿真設(shè)計輸入匹配設(shè)計n在MSub中，修改參數(shù)為需要值，如圖所示3.3 SP模型仿真設(shè)計輸入匹配設(shè)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。3.3 SP模型仿真設(shè)計輸入匹配設(shè)計n下面使用ADS的綜合工具，綜合出匹配網(wǎng)絡(luò)。n雙擊 進行參數(shù)編輯，頻率設(shè)置為2GHz，Zin設(shè)置為需要匹配的目標值50，Zload設(shè)為前面仿真得到的晶體管的輸入阻抗。3.3 SP模型仿真設(shè)計輸入匹配設(shè)計n選定n在原理圖窗口的最上一行，選擇 后，彈出窗口如圖n選擇 ，綜合完畢后，即可生成

15、適合的匹配網(wǎng)絡(luò)3.3 SP模型仿真設(shè)計輸入匹配設(shè)計n匹配網(wǎng)絡(luò)生成后，點擊 ，進入匹配網(wǎng)絡(luò)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。3.3 SP模型仿真設(shè)計輸入匹配設(shè)計n接入匹配網(wǎng)絡(luò)；插入 ，用以計算穩(wěn)定系數(shù)3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸入匹配設(shè)計n仿真結(jié)果：S參數(shù)3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸入匹配設(shè)計n仿真結(jié)果：輸入阻抗、穩(wěn)定系數(shù)、噪聲系數(shù)3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸出匹配設(shè)計n由以上的仿真結(jié)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。n另一方面，輸

16、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(shè)計n需要說明的幾點：n實際上，輸出匹配的設(shè)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(shè)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。3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸出匹配設(shè)計n對于輸出及也使用單分支線的結(jié)構(gòu)進行匹配n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(shè)計-輸出匹配設(shè)計n需要對微帶和接頭的參數(shù)進行調(diào)整n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)

17、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。3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸出匹配設(shè)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3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸出匹配設(shè)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(shè)置在2GHz附近。如圖。3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸出匹配設(shè)計n設(shè)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(yīng)參數(shù)設(shè)為”SP2”3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸出匹配設(shè)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

18、然后激活優(yōu)化，并設(shè)置優(yōu)化范圍（一般來說越小越好）3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸出匹配設(shè)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。3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸出匹配設(shè)計n優(yōu)化前的電路圖3.3 SP模型仿真設(shè)計-輸出匹配設(shè)計n點擊 ，開始優(yōu)化。n優(yōu)化結(jié)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(guān)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(shè)計-輸出匹配設(shè)計n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(shè)計

19、-輸出匹配設(shè)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(diào)整優(yōu)化方法、優(yōu)化目標中的權(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。3.3 SP模型仿真設(shè)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(shè)計

20、-原理圖3.3 SP模型仿真設(shè)計-仿真結(jié)果3.4封裝模型仿真設(shè)計n進行完sp模型設(shè)計以后，需要將sp模型替換為封裝模型來作進一步設(shè)計，有以下工作需要進行n將sp模型替換為封裝模型n選擇直流工作點并添加偏置電壓n進行饋電電路的設(shè)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(shù)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(shè)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(shè)計-偏置電路的設(shè)計 在設(shè)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

21、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(yīng)在接地端插入隔直電容。 為了簡單起見，偏置電路設(shè)計可以不進行原理圖仿真，直接在畫版圖時實現(xiàn)。3.4封裝模型仿真設(shè)計-原理圖（五）繪制電路版圖n仿真完成后要根據(jù)結(jié)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(shè)計和電源濾波電路的設(shè)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(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(shè)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(shè)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