LNA的设计制作与调试

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1、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

2、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

3、。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

4、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。

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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