实验五 低噪声放大器的设计 制作与调试（一） 实验目的n了解低噪声放大器的工作原理及设计方 法。n学习使用ADS软件进行微波有源电路的设 计，优化，仿真。n掌握低噪声放大器的制作及调试方法。（二） 实验内容n了解微波低噪声放大器的工作原理。n使用ADS软件设计一个低噪声放大器 ，并对其参数进行优化、仿真。n根据软件设计的结果绘制电路版图， 并加工成电路板。n对加工好的电路进行调试，使其满足 设计要求。（三）低噪声放大器的技术指标 输入输出反射系数 噪声系数 放大器增益 稳定系数 通带内的增益平坦度（四）用ADS软件设计低噪声 放大器 本节内容是介绍使用ADS软件设计低噪声 放大器的方法：包括原理图绘制，电路 参数的优化、仿真，版图的仿真等。 下面开始按顺序详细介绍用ADS软件设计 低噪声放大器的方法。1.放大器设计的基本准备n需要明确的概念nS参数、放大器增益（平坦度）、噪声系数 、噪声温度、动态范围、三阶交调与1dB压 缩点、稳定性、匹配。n需要学习的知识n匹配电路有哪些形式n对晶体管如何馈电nAnd so on2.软件仿真中需要注意的几个问题n要有好的软件设计习惯n各种文件的命名n电路的布局以及参数的设置和选择n要有合理的设计顺序n要记住你在使用的是软件n物理概念要明确，不要在无意义的地方花时间n比如：按照加工精度，有些线条太细是不能实现的，另外追求小数点后 面N位的精确也是无聊的。n注意仿真中使用模型的适用范围，比如：小信号模型就不能用来看三阶 交调等非线性的曲线（看了也是错的），微带线仿真的时候，注意要 LW，软件中的模型才是对的。等等。n注意如何规划仿真，才能尽快得到需要的电路n要按照先局部后整体的优化，切忌直接全局优化，最好能够预先计算设 置优化元件的初值。n要注意仿真的数值稳定性，对于对参数以来敏感的仿真结果在最后制作 的时候是很难实现的。适当的时候需要考虑改系统拓扑。n养成不明白就多看看help的习惯2.软件仿真中需要注意的几个问题n仿真时模型的选择1n晶体管nsp模型：属于小信号线性模型，模型中已经带有了 确定的直流工作点，和在一定范围内的S参数，仿 真时要注意适用范围。Sp模型只能得到初步的结 果，对于某些应用来说已经足够，不能用来做大信 号的仿真，或者直流馈电电路的设计，不能直接生 成版图。n大信号模型：可以用来仿真大、小信号，需要自行 选择直流工作点，仿真时要加入馈电电路和电源。 带有封装的大信号模型可以用来生成版图2.软件仿真中需要注意的几个问题n仿真时模型的选择2n集总参数元件n电容、电阻、电感：在进行电路优化时，可以直 接选用参数连续变化的模型，在系统设计最后， 需要把这些优化过的元件替换为器件库中系列中 的元件才是可以制作电路、生成版图的。替换时 选择与优化结果相近的数值，替换后要重新仿真 一次，检验电路性能是否因此出现恶化。3.ADS的使用n启动软件后建立新的工程文件并打开原理图 设计窗口。3.1晶体管直流工作点扫描3.1和3.2节参照系统提供的典型电路 设置，用以帮助大家熟悉ADS的一些最 简单的操作。对于各种工具的详尽使用 ，请自行参阅帮助文件。3.1晶体管直流工作点扫描n选择File New Design进入下面的对话框n在下面选择BJT_curve_tracer，在上面给新建的Design命名， 这里命名为BJT Curve3.1晶体管直流工作点扫描n在新的Design中，会有系统预先设置好的组 件和控件，如下图3.1晶体管直流工作点扫描n如何在Design中加入晶体管n点击 ，打开元件库3.1晶体管直流工作点扫描n选择需要的晶体管，可以点击 查询3.1晶体管直流工作点扫描n对41511的查询结果如 下，可以看到里面有这 种晶体管的不同的模型n以sp为开头的是S参数 模型，这种模型不能用 来做直流工作点的扫描n选择pb开头的模型，切 换到Design窗口，放入 晶体管，按Esc键终止当 前操作。3.1晶体管直流工作点扫描n按照下图所示接入晶体管，连线按键为 ，注 意确认线完全接好，由于此晶体管发射极有两 个管脚，在此处接一个即可。3.1晶体管直流工作点扫描n按Simulate键 ，开 始仿真，这时会弹出 一个窗口，该窗口会 现实仿真或者优化的 过程信息。如果出现 错误，里面会给出出 错信息，应该注意查 看。3.1晶体管直流工作点扫描n仿真结束，弹出结果窗口，如下页图。 注意关闭的时候要保存为适宜的名字。 另外图中的Marker是可以用鼠标拖动的 。由于采用的是ADS的设计模板，所以 这里的数据显示都已经设置好了。一般 情况下，数据的显示需要人为自行设置 。3.1晶体管直流工作点扫描n典型仿真结果图3.1晶体管直流工作点扫描n实际上，模板中预设的扫描参数通常和需要的并 不一致，需要在Design窗口的原理图上进行修改 ，修改的方法比较简单。参数扫描控件 很重要，在很多情况下会经常用到。n另外，一般参数的修改，既可以通过双击一个目 标（元器件、控件等）来进行，也可以在设计窗 口中激活显示参数来实现。高级设置的修改只能 通过双击目标实现。n在本例中，可以适当调整扫描参数，然后仿真， 在结果曲线上选择合适的直流工作点，获得相应 的直流偏置电压（或电流）值。3.2晶体管S参数扫描n选定晶体管的直流工作点后，可以进行 晶体管的S参数扫描，本节中选用的是S 参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125 ，这一模型对应的工作点为Vce=2.7V、 Ic=5mAn下面给出进行S参数扫描的具体操作3.2晶体管S参数扫描-sp模型n选择File New Design进入下面的对话框，在下面 选择S-Params，在上面命名，为SP_of_spmod3.2晶体管S参数扫描-sp模型n然后新的Design文件生成，窗口如下3.2晶体管S参数扫描-sp模型n同3.1节对应操作，加入 sp模型的晶体管，并连 接电路如图。地的设置 按上面的 键即可调入 。图中的Term也是在仿 真中要经常用到的组件 ，用以表示连接特征阻 抗的端口。3.2晶体管S参数扫描-sp模型n由于sp模型本身已经对应于一个确定的直流工作 点，因此在做S参数扫描的时候无需加入直流偏 置。n观察sp模型晶体管的参数显示，在此例中，标定 的频率适用范围为0.15.1GHz，在仿真的时候要 注意。超出此范围，虽然软件可以根据插值等方 法外推除电路的特性，但是由于模型已经失效， 得到的数据通常是不可置信的。n在本例中，要在 控件中作相应的修改 。3.2晶体管S参数扫描-sp模型n在 控件中修改参数如下点击 按键，进行仿真，弹出数据输出窗口3.2晶体管S参数扫描-sp模型n数据输出窗口如图所 示，图中以不同形式 显示输出S参数。n如图可见，晶体管的 输入匹配并不好3.2晶体管S参数扫描-sp模型n这里介绍一下数据显示格式的控 制。用于格式控制显示的工具栏 位于视窗的左侧。点击相应的工 具，即可按照相应的数据格式输 出仿真结果。里面的Eqn用于自 定义相应的表达式，可对仿真得 到的结果进行运算后输出。以下 介绍一些基本的控制。3.2晶体管S参数扫描-sp模型n点击 ，激活的是图 形显示方式，在左边所 列的参数列表中选择需 要的参数，如：S(1,1) 后，在点击 将其 加入右边的显示列表。3.2晶体管S参数扫描-sp模型n然后会弹出数据显示 的格式，对于S(1,1) ，选择dB。3.2晶体管S参数扫描-sp模型n得到S(1,1)的显示如图所示3.2晶体管S参数扫描-sp模型n点击 ，激活的是数字列 表的显示方式，仿照前面， 将需要的参数加入右边的显 示列表。 对于S(1,1)默认的 显示是模/辐角的格式。n点击 可以对结果的 输出格式进行高级控制，如 右下图设置为dB(S(1,1)， 注意字母的大小写，可以按 照dB的格式显示。3.2晶体管S参数扫描-sp模型n列表显示如图所示。n选中列表后，工具栏被激 活，可翻页查看所有 的数据。3.2晶体管S参数扫描-sp模型n加入噪声系数的仿真： 回到Design窗口，双击控件， 在Noise栏中，选中然后仿真， 进入数据输出窗口。3.2晶体管S参数扫描-sp模型n选择适当的格式，显示2端口的噪声系数nf(2) 。3.3 SP模型仿真设计n很多时候，在对封装模型进行仿真设计前， 通过预先对sp模型进行仿真，可以获得电路 的大概指标。sp模型的设计，通常被作为电 路设计的初级阶段。n本节首先设计sp_hp_AT-41511_2_19950125 在2GHz处的输入、输出匹配。3.3 SP模型仿真设计构建原理电路n建立新的工程文件，命 名为spmod_LNAn在左侧选择S参数仿真 工具栏 n如图所示3.3 SP模型仿真设计构建原理电路n在库中选出晶体管 ，放置在 原理图窗口n点击 ，放置Term1，Term2两个端口n点击 ，设置接地n点击 ，放置输入阻抗测试控件n点击 ，放置S参数扫描控件n修改S参数扫描控件的设置为需要值n连接电路如下页图所示3.3 SP模型仿真设计构建原理电路n初始原理图3.3 SP模型仿真设计测试输入阻抗n仿真，在数据输出窗 口观察输入阻抗n由列表中可得到2GHz 点的输入阻抗为： 20.083/19.829n换算为实/虚部的形式 18.89j*6.813.3 SP模型仿真设计输入匹配设计n采用微带线进行匹配，在此之前需要设 定微带线的基本参数。n在 和 工具栏里都有用于微带线参数设置的控 件，单击 ，在原理图中放置微带参 数设置控件。n其中参数的含义是：nH:基板厚度nEr:基板相对介电常数nMur:磁导率nCond:金属电导率nHu:封装高度nT:金属层厚度nTanD:损耗角nRoungh:表面粗糙度3.3 SP模型仿真设计输入匹配设计n在MSub中，修改参 数为需要值，如图所 示3.3 SP模型仿真设计输入匹配设计n选择 工具栏n如：采用单分支线的 匹配。点击 ，放置 在原理图中n其中各参数的含义请 参阅帮助文档。3.3 SP模型仿真设计输入匹配设计n下面使用ADS的综合工 具，综合出匹配网络。n双击 进行参数编 辑，频率设置为2GHz ，Zin设置为需要匹配 的目标值50，Zload设 为前面仿真得到的晶体 管的输入阻抗。3.3 SP模型仿真设计输入匹配设计n选定n在原理图窗口的最上一 行，选择 后， 弹出窗口如图n选择 ，综合完毕 后，即可生成适合的匹 配网络3.3 SP模型仿真设计输入匹配设计n匹配网络生成后，点击 ，进入匹配网络的子电 路，如图所示。n其中的T形接头 为计算时考虑阻抗突变 引入的。在实际电路中 并不代表任何实际长度 的电路，具体的含义请 参阅帮助文档。3.3 SP模型仿真设计输入匹配设计n接入匹配网络；插入 ，用以计算稳定系数3.3 SP模型仿真设计-输入匹配设计n仿真结果：S参数3.3 SP模型仿真设计-输入匹配设计n仿真结果：输入阻 抗、稳定系数、噪 声系数3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计n由以上的仿真结果可见，基本上电路已经达到了 比较好的性能，如：良好的输入匹配、较高的增 益、稳定系数和噪声系数都比较好。n另一方面，输出匹配还不太好，电路的增益也可 能进一步的提高。n以下进行输