1、實驗五低噪聲放大器的設計制作與調試 （一） 實驗目的n了解低噪聲放大器的工作原理及設計方法。n學習使用ADS軟件進行微波有源電路的設計，優化，仿真。n掌握低噪聲放大器的制作及調試方法。（二） 實驗內容n了解微波低噪聲放大器的工作原理。n使用ADS軟件設計一個低噪聲放大器，并對其參數進行優化、仿真。n根據軟件設計的結果繪制電路版圖，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 噪聲系數 放大器增益 穩定系數 通帶內的增益平坦度（四）用ADS軟件設計低噪聲軟件設計低噪聲放大器放大器 本節內容是介紹使用ADS軟件設計低噪聲放大器的方法：包

2、括原理圖繪制，電路參數的優化、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n需要明確的概念nS參數、放大器增益（平坦度）、噪聲系數、噪聲溫度、動態范圍、三階交調與1dB壓縮點、穩定性、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要有好的軟件設計習慣n各種文件的命名n電路的布局以及參數的設置和選擇n要有合理的設計順序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的，另外追求小數點后面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化，切忌直接全局優化，最好能夠預先計算設置優化元件的初值。n要注意仿真的數值穩定性，對于對參數以來敏感的仿真結果在最后制作的時候是很難實現的。適當的時候需要考慮改系統拓撲。n養成不明白就多看看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，模型中已經帶有了確定的直流工作點，和在一定范圍內的S參數，仿真時要注意適用范圍

4、。Sp模型只能得到初步的結果，對于某些應用來說已經足夠，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。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集總參數元件n電容、電阻、電感：在進行電路優化時，可以直接選用參數連續變化的模型，在系統設計最后，需要把這些優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。替換時選擇與優化結果相近的數值，替換后要重新仿真一次，檢驗電路性能是否因此出現惡化。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計窗口。3.1晶體管直流工作點掃描3.1和3.2節參照系統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，該窗口會現實仿真或者優化的過程信息。如果出現錯誤，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n仿真結束，彈出結果窗口，如下頁圖。注意關

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的設計模板，所以這里的數據顯示都已經設置好了。一般情況下，數據的顯示需要人為自行設置。3.1晶體管直流工作點掃描n典型仿真結果圖3.1晶體管直流工作點掃描n實際上，模板中預設的掃描參數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。參數掃描控件 很重要，在很多情況下會經常用到。n另外，一般參數的修改，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來實現。高級設置的修改只能通過雙擊目標實現。n在本例中，可以適當調整掃描參數，然后仿真，在結果曲

8、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參數掃描，本節中選用的是S參數模型sp_hp_AT-41511_2_19950125，這一模型對應的工作點為Vce=2.7V、Ic=5mAn下面給出進行S參數掃描的具體操作3.2晶體管S參數掃描-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參數掃描-sp模型n同3.1節對應操作，加入sp模型的晶體管，

9、并連接電路如圖。地的設置按上面的 鍵即可調入。圖中的Term也是在仿真中要經常用到的組件，用以表示連接特征阻抗的端口。3.2晶體管S參數掃描-sp模型n由于sp模型本身已經對應于一個確定的直流工作點，因此在做S參數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，雖然軟件可以根據插值等方法外推除電路的特性，但是由于模型已經失效，得到的數據通常是不可置信的。n在本例中，要在 控件中作相應的修改。3.2晶體管S參數掃描-sp模型n在 控件中修改參數如下點擊 按鍵，進行仿真，彈出數據輸出窗口3.2晶體管S參數

10、掃描-sp模型n數據輸出窗口如圖所示，圖中以不同形式顯示輸出S參數。n如圖可見，晶體管的輸入匹配并不好3.2晶體管S參數掃描-sp模型n這里介紹一下數據顯示格式的控制。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，即可按照相應的數據格式輸出仿真結果。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，在左邊所列的參數列表中選擇需要的參數，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參數掃描-sp模型n然后會彈出數據顯示的格式，對于S(1,1)，選擇dB。3.

11、2晶體管S參數掃描-sp模型n得到S(1,1)的顯示如圖所示3.2晶體管S參數掃描-sp模型n點擊 ，激活的是數字列表的顯示方式，仿照前面，將需要的參數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dB的格式顯示。3.2晶體管S參數掃描-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據。3.2晶體管S參數掃描-sp模型n加入噪聲系數的仿真：回到Design窗口，雙擊 控件，在Noise欄中，選中 然后仿真，進入數據輸出窗口。3.2晶體管S參數掃

12、描-sp模型n選擇適當的格式，顯示2端口的噪聲系數nf(2)。3.3 SP模型仿真設計n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。n本節首先設計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n建立新的工程文件，命名為spmod_LNAn在左側選擇S參數仿真工具欄 n如圖所示3.3 SP模型仿真設計構建原理電路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參數掃描控件n修改S參數掃描控件的設置為需要值n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n初始原理圖3.3 SP模型仿真設計測試輸入阻抗n仿真，在數據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模型仿真設計輸入匹配設計n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。n在 和 工具欄里都有用于微帶線參數設置的控件，單擊 ，在原理圖中放置微帶參數設置控件。n其中參數的含義是：nH:基板厚度nEr:基板相對介電常數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模型仿真設計輸入匹配設計n在MSub中，修改參數為需要值，如圖所示3.3 SP模型仿真設計輸入匹配設計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n下面使用ADS的綜合工具，綜合出匹配網絡。n雙擊 進行參數編輯，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、適合的匹配網絡3.3 SP模型仿真設計輸入匹配設計n匹配網絡生成后，點擊 ，進入匹配網絡的子電路，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模型仿真設計輸入匹配設計n接入匹配網絡；插入 ，用以計算穩定系數3.3 SP模型仿真設計-輸入匹配設計n仿真結果：S參數3.3 SP模型仿真設計-輸入匹配設計n仿真結果：輸入阻抗、穩定系數、噪聲系數3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計n由以上的仿真結果可見，基本上電路已經達到了比較好的性能，如：良好的輸入匹配、較高的增益、穩定系數和噪聲系數都比較好。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計n需要說明的幾點：n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；n在下面的設計中采用的方法并不是合適的方法，僅是為了介紹優化工具的使用，請注意。3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計n對于輸出及也使用單分支線的結構進行匹配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 調整。3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計n需要對微帶和接頭的參數進行調整n由輸入匹配的設計，可知輸入匹配網絡的線寬為1.558mm（當然，實際制作電路的時候，不可能達到這樣的精度），根據綜合時的設

17、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n優化工具欄為n點擊 ，加入優化控件n點擊 ，加入優化目標控件3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計n根據優化需要，添加一個新的S參數控件，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n設置優化目標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，故相應參數設為”SP2”3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計n激活微帶線的優化n雙擊需要優化的微帶n點擊n

18、然后激活優化，并設置優化范圍（一般來說越小越好）3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計n選擇適合的優化方式，準備優化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模型仿真設計-輸出匹配設計n優化前的電路圖3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計n點擊 ，開始優化。n優化結束后，選擇Simulate工具中的更新數據選項更新優化后的電路參數。n使用 將優化控件關閉（ 用于激活對象），再點擊 重新仿真即可得到優化后的電路特性。3.3 SP模型仿真設計-輸出匹配設計n經過一次隨機優化的S參數如圖3.3 SP模型仿真設計

19、-輸出匹配設計n可見S(2,2)有了很大的改善，但同時S(1,1)惡化了。n反復調整優化方法、優化目標中的權重Weight，還可以對輸入匹配網絡進行優化，最終得到合適的結果。3.3 SP模型仿真設計-綜合指標實現將噪聲系數、放大器增益、穩定系數都加入優化 目標中進行優化，并通過對帶內放大器增益的限制 來滿足增益平坦度指標，最終達到各個要求指標。如果電路穩定系數變得很小(低于0.9)，難以達到優化目標，或者S(1,1)的值在整個頻帶內的某些頻點在0dB以上，則需要加入負反饋，改善放大器的穩定性。對部分電路指標的優化可能導致其它某些指標的惡化，可以根據需要增加一些優化變量。3.3 SP模型仿真設計

20、-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n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會有所變化，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

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，應在接地端插入隔直電容。 為了簡單起見，偏置電路設計可以不進行原理圖仿真，直接在畫版圖時實現。3.4封裝模型仿真設計-原理圖（五）繪制電路版圖n仿真完成后要根據結果用Protel軟件繪制電路版圖，繪制版圖時要注意以下幾點n偏置電路的設計和電源濾波電路的設計。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根據版圖的大小尺寸要求調整功分器兩邊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