Download
1 / 48
480 likes | 742 Views
低噪声放大器设计与仿真. （一）低噪声放大器基础. 1. 低噪声放大器的功能和指标 （ 1 ）功能： 低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 （ 2 ）指标： 主要指标包括：噪声系数，放大增益，输入输出驻波比，反射系数和动态范围等。. 2. 低噪声放大器的设计原则. 在进行低噪声放大器的实际设计中，一定要注意一下几点： （ 1 ）放大器中放大管的选择。 （ 2 ）输入输出匹配电路的设计原则。 （ 3 ）电路中需要注意的问题：
E N D
（一）低噪声放大器基础 1.低噪声放大器的功能和指标 （1）功能： 低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 （2）指标： 主要指标包括：噪声系数，放大增益，输入输出驻波比，反射系数和动态范围等。
2.低噪声放大器的设计原则 在进行低噪声放大器的实际设计中，一定要注意一下几点： （1）放大器中放大管的选择。 （2）输入输出匹配电路的设计原则。 （3）电路中需要注意的问题： 一般对于低噪声放大器采用高Q值的电感完成偏置和匹配功能，由 于电阻会产生附加的热噪声，放大器的输入端尽量避免直接连接到偏置电阻上。 （4）目前低噪声放大器方面的设计手段：LNA基本上采用ADS （5）目前同行业低噪声放大器的发展水平： 随着半导体器件的发展，低噪声放大器的性能不断提高，采用PHEMT场效应晶体管的低噪声放大器在800MHz频段噪声系数可达到0.4dB，增益约为17dB左右，1900MHz频段噪声系数可达到0.6dB，增益为15dB左右。下面介绍一个基于BJT的低噪声放大器的设计。今后用其他的晶体管进行设计时，基本原理和步骤是完全相同的。
（二）低噪声放大器的设计与仿真 晶体管直流工作点的扫描 1.建立工程 （1）运行ADS2009，选择File New Project命令，弹出“New Project”（新建工程）对话框，可以看见对话框中已经存在了默认的工作路径（可以改变）。并且，在Project Technology Files栏中选择“ADS Standard：Length unil—millimeter”。 （2）单击OK，完成新建工程， 此时原理图设计窗口会自动 打开
注：原理图设计窗口打开之前，会弹出如下窗口。单击Cancel即可。注：原理图设计窗口打开之前，会弹出如下窗口。单击Cancel即可。
2.晶体管工作点扫描 （1）File New Design…在工程中新建一个原理图。 （2）在新建设计窗口中给新建的原理图命名，这里命名为bjt_curve;并在Schematic Design Temples栏中选择“BJT_curve_tracer”,这是一个专门用来扫描BJT工作点的模板。如右图。
（3）单击OK，此时新的原理图窗口被打开，窗口中已经出现一个专门用于对BJT进行直流工作点扫描的模板，会有系统预先设好的组件和控件。（3）单击OK，此时新的原理图窗口被打开，窗口中已经出现一个专门用于对BJT进行直流工作点扫描的模板，会有系统预先设好的组件和控件。 对BJT进行工作点扫描的过程就是一个直流仿真的过程，因此模板中的仿真控制器为直流仿真控制器，而扫描的变量是BJT的CE极电压VCE和B极电流IBB。
（4）单击工具栏中的Display Component Library List,打开 元件库. (5)在Component上栏的Serch中,输入41511
(6)回车查找结束后可以看到这种晶体管的不同模型: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扫描。选择pb开头的模型pb_hp_AT41511_19950125,右键单击该模型，选择Place Component，切换到Design窗口，放入晶体管。 （7）将BJT元件与原来原理图窗口中的BJT_curve_tracer模板原理图按照下图的方式连接起来。由于此晶体管发射极有两个管脚，在此处接一个即可。
（8）这样对晶体管进行直流工作点扫描的电路就完成了，单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待仿真结束。（8）这样对晶体管进行直流工作点扫描的电路就完成了，单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待仿真结束。 （9）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，由于使用的是仿真模板，需要的仿真结果已经 出现在窗口中，图中就 是BJT的直流工作点扫描 曲线以及BJT的直流工作 点和功耗。
晶体管的S参数扫描 选定晶体管的直流工作点后，下面就可以进行晶体管的S参数扫描了，我们选用的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=5mA。 （1）按照前面所述方法新建一个原理图， 新建的原理图命名为 SP_of_spmod; 并在Schematic Design Temples 栏中选择“S-Params”。
（2）单击OK后，生成新的原理图，如图所示，原理图中是一个S参数仿真的模板。（2）单击OK后，生成新的原理图，如图所示，原理图中是一个S参数仿真的模板。 （3）同前操作一样，加入sp模型的晶体管sp_hp_AT-41511_2_19950125,并按图中连接电路。可以看出，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。
（4）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0.1～5.1GHz，在仿真的时候要注意。超出此范围，（4）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0.1～5.1GHz，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出电路的特性，但是由于模型已经失效，得到的数据通常是不可信的。因此，需要对S参数仿真模板中的频率扫描范围进行更改。 （5）双击模板中的S参数仿真控制器，在参数设置窗口中按照如下内容进行参数设置： • Start=0.10GHz,表示扫描的起始频率为0.1GHz，由SP模型的起始频率决定。 • Stop=5.1GHz，表示扫描的终止频率为5.1GHz，由SP模型的终止频率决定。 • Step=0.05GHz，表示扫描的频率间隔为0.05GHz。完成设置的S参数仿真空间如图所示。
（6）这样对晶体管进行S参数扫描的电路就完成了，单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待仿真结束。（6）这样对晶体管进行S参数扫描的电路就完成了，单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待仿真结束。 （7）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，由于使用的是仿真模板，需要的仿真结果已经出现在窗口中，途中的史密斯圆图中就是BJT模型的S11参数和S22参数，它们分别表示了BJT的输入端口反射系数和输出端口反射系数。
（8）再次观察数据显示窗口，图中列出了BJT模型的S21参数（8）再次观察数据显示窗口，图中列出了BJT模型的S21参数 和S12参数，它们分别表示了BJT的正向和反向的功率传输参数。
（9） 接着在数据显示窗口中插入一个关于S11的数据列表，这样就可以观察在每个频率处的S11参数的幅度和相位值了。 （10）双击原理图中的S参数仿真控制器，选中其中的Calculate Noise选项，单击OK 后，再次执行仿真。 （11）仿真结束后，在数据显示窗口中插入一个关于nf（2）的矩形图，如下图。 这样就完成了对BJT模型的S参数的扫描，这些数据对后面使用这个元件进行低噪声放大器的设计很有帮助。
SP模型的仿真设计 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。下面将首先设计BJT的S参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125在2GHz处的输入，输出匹配。 1.构建原理图 首先对SP模型仿真的原理图进行构建，具体过程如下： （1）在工程中新建一个原理图文件，命名为spmod_LNA，在Schematic Design Temples中不选择模板。 （2）单击OK后，新的原理图生成，下面在原理图中插入仿真需要的电路元件和控件。
（3）在Component Library List中选择BJT的S参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125并插入到原理图中。 （4）在Simulation-S_Param在元件面板中选择两个终端负载元件Term1，Term2并插入到原理图中。 （5）单击工具栏中的GROUND按钮，在原理图中擦汗如两个地线。 （6）按照上图的方式，将上面的元件连接起来。
（7）在Simulation-S_param元件面板中选择输入阻抗测量空间（7）在Simulation-S_param元件面板中选择输入阻抗测量空间 Zin，并插入到原理图中，如图所示。 （8）在原理图中插入一个S参数仿真控件，它的参数设置与前面晶体管的S参数扫描相同，这样就完成了仿真原理图搭建。
2.SP模型仿真 下面对刚刚搭建的原理图进行仿真，仿真的过程如下： （1）单击工具栏中的Simulate按钮进行仿真，并等待仿真结束。 （2）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，在窗口中插入一个关于输入阻抗Zin1的数据列表。 （3）单击工具栏中的数据列表 Scroll data one page toward the end，将数据列表中的数据 滚动到freq=2.000GHz处，可以 观察到此时SP模型的输入阻抗 为20.083/19.829，这种幅度/ 相位的表示方式并不容易观察和 计算。
（4）双击数据列表，在弹出的Plot Traces&Attributes窗口 中双击Zin1，系统弹出Traces Options。 （5）将窗口中的Complex Data Format 中的Mag/Degrees改为图中的Real/Imaginary 并单击Ok确定。 （6）这时可以观察到。当freq=2.000GHz 时，SP模型的输入阻抗为18.892+j6.813. 这样就计算出了电路的输入阻抗，接下来根据输入阻抗的值为SP模型设计匹配网络。
3.输入匹配设计 本部分将为SP模型设计一个输入的匹配网络，匹配网络是采用 微带线实现的。具体过程如下。 （1）选择TLines-Microstip元件面板，并在其中选择微带线参数配置工具MSUB并插入到原理图中。 （2）双击MSUB控件，按照如图设置微带线参数。 （3）选择Passive Circuit DG-Microstip Circuit 元件面板，面板中是各种类型的微带匹配电路，选择采 用单分支线匹配电路SSMtch,并插入到原理图中。 （4）双击SSMtch电路，按图设置。
（5）前面仅对SSMtch的频率，阻抗参数进行设置，但并没有（5）前面仅对SSMtch的频率，阻抗参数进行设置，但并没有 根据这些参数调整它的尺寸参数，调整尺寸参数需要使用ADS 的设计向导完成。 （6）选中SSMtch电路，并单击菜单栏中的DesignGuid>Passive Curcuit，此时系统弹出Passive Curcuit DesignGuide窗口。 （7）选择Passive Curcuit DesignGuide窗口中的Design Assistant选项卡，并单击Design 系统将自动完成设计过程。
（8）设计完成后，单击工具栏中的Push Into Hierarchy，进入 SSMtch的子电路。从图中可以看到组成SSMtch电路的各段 微带线的参数。其中的T形接头为计算时考虑阻抗突变引起的。在 实际电路中并不代表任何实际 长度的电路，具体含义请参考 帮助文档。 （9）单击工具栏中的Pop Out，返回SP仿真原理图中， 将刚刚设计的匹配电路插入到 所示的电路中，作为输入匹配 电路。
（10）电路连接完成后，单击工具栏中的Simulate执行仿真，（10）电路连接完成后，单击工具栏中的Simulate执行仿真， 并等待仿真结束。 （11）仿真结束后在数据显示 窗口中查看电路的S11参数和 S22参数的史密斯圆图，并在 频率2GHz处分别插入标记。
从上图中可以看出，对于输入端口来说，反射系数已经很小了，从上图中可以看出，对于输入端口来说，反射系数已经很小了， 并且输入阻抗也接近负载阻抗50欧姆；但对于输出端口来说，反 射系数仍然不是很小，且输出阻抗与负载阻抗还有一定的差距。 （12）观察数据显示窗口中关于S12和S21的矩形图。从图中可以 看出，S12参数和S21参数也有一定的改善。
（13）在数据显示窗口中查看输入阻抗Zin1的数据列表。从图中（13）在数据显示窗口中查看输入阻抗Zin1的数据列表。从图中 可以看出，当频率为2GHz是，电路的输入阻抗接近50欧姆。 由以上的仿真结果可见，电路基本上已经 大道了较好的性能，如：良好的输入匹配 较高的增益，稳定系数和噪声系数。 但另一方面，输出匹配设计匹配还不太好， 电路的增益也可进一步的提高。下面就进 形输出阻抗匹配设计的。
对于输出也是用单分支线的结构进行匹配，为了方便后面对放对于输出也是用单分支线的结构进行匹配，为了方便后面对放 大器参数优化，这里直接用微带电路搭建一个输出匹配电路，具 体过程如下： （1）在TLines-Microstrip元件板中选择两个MLIN，一个MTEE 和一个MLEF，并插入到原理图中。 （2）将它们的放置方式进行调整， 并按照图中的形式连接起来，组成 输出匹配网络。 （3）在原理图设计窗口中的菜单 栏中选择Tools>Lincalc>Start Lincalc命令，打开微带线计算 工具，计算出当前状况下特性 阻抗为50欧姆的微带线宽度 为1.588mm。
（4）很明显，这个匹配网络的参数需要调整，以适合输出端口（4）很明显，这个匹配网络的参数需要调整，以适合输出端口 的匹配。TLIN1和TLIN2中的L=2.5mm {2.0mm to 40mm},表示 微带线默认线长为2.5mm，但是它是一个优化参数，优化范围为 2.0mm到40mm。 （5）完成微带线的设置后，将输出匹配网络连接到SP模型电路 去，如图。
（6）在原理图设计窗口的Optim/Stat/Yield/DOE元件面板列（6）在原理图设计窗口的Optim/Stat/Yield/DOE元件面板列 表中选择一个优化空间Optim并插入到原理图中。 （7）将Maxlters改为200 （8） 在Optim/Stat/Yield/DOE元件面板 选择两个优化目标控件GOAL，并插入到原 理图中。 （9）这里首先对S11参数和S22参数进行 优化。
（10）这里的SimInstanceName选择了SP2也就是说需要一个新（10）这里的SimInstanceName选择了SP2也就是说需要一个新 的S参数仿真控制器，并将其频率设置在2GHz附近。 （11）单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待 仿真结束。 （12）仿真结束，结果如下。
从上图的结果可以看出，经过优化后，S11参数反而不如不加输出从上图的结果可以看出，经过优化后，S11参数反而不如不加输出 阻抗匹配网络前，这是由于加入匹配网络后，改变了原来电路的 输入阻抗，使电路的输入阻抗不再为50欧姆。 （13）观察S22，S21和S12曲线，它们有了不同程度的改善。
（14）在一次优化完成后，要单击原理图窗口菜单中的Simulate>（14）在一次优化完成后，要单击原理图窗口菜单中的Simulate> Update Optimization Values保存优化后的变量值（在VAR控件上 可以看到变量的当前值），否则优化后的值将不保存到电路原理图 中。 如果得到的参数不满足要求，则需要反复调整优化方法，优化目标 中的权重Weight，还可以对输入匹配网络进行优化，最终得到合适 的结果。
综合指标的实现 完成了低噪声放大器S参数的分析，还需要分析放大器的噪声系数 稳定性等参数，下面就对这些参数进行分析和优化。 1.放大器稳定性分析 首先来分析放大器的稳定性，放大器的稳定性是放大器的一个重要 指标，如果电路稳定系数变得很小（低于0.9），则难以达到预期 性能。 （1）在Simulation-S_ParamS_Param元件面板中选择一个稳定系 数测量空间StabFct，并插入到原理图中。
（2）使原理图设计窗口中的优化控件失效，并单击工具栏中（2）使原理图设计窗口中的优化控件失效，并单击工具栏中 Simulate执行仿真，等待仿真结束。 （3）从曲线看出，放大器的稳定系数都大于1，满足设计要求。
2.噪声系数分析 数据显示窗口中插入一个关于nf（2）的曲线，从图中可以看出低 噪声放大器的噪声系数大约为1.9左右。
3.输入驻波比与输出驻波比 （1）在Simulation-S_Param元件板中选择两个驻波比测量控件 VSWR，并插入到原理图中，其中一个参数不变，另一的测量方程 改为VSWR2=vswr(S22),如图所示。 （2）单击Simulate按钮，等待仿真 结束。 （3）仿真结束后，在系统中插入一个关于VSWR1和VSWR2的矩 形图。
（4）由VSWR1和VSWR2的测量方程可以知道，它们分别是放大（4）由VSWR1和VSWR2的测量方程可以知道，它们分别是放大 器的输入驻波比和输出驻波比，在频率为2GHz时，驻波比约为1.5 这样就完成了低噪声放大器SP模型的仿真设计，下面用三极管的封 装模型代替SP模型，并重新分析电路的性能。
（三）封装模型仿真设计 进行完SP模型设计以后，需要将SP模型替换为封装模型来作进一步 设计，需要进行以下工作： • 将SP模型替换为封装模型 • 选择直流工作点并添加偏置电压 • 偏置网络的设计 • 封装模型电路的S参数设置
直流偏置网络设计 1.偏置网络计算 （1）打开直流工作点扫描的电路原理图bjt_curve，并在原理图中 BJT的基极加入一个节点名称VBE。 （2）将原理图中的直流电源SCR1的Vdc改为2.7V。 （3）删除参数扫描控件。 （4）双击直流仿真控件，在参数设置窗口中 选择Sweep选项卡，将参数按右图修改。 （5）双击变量控件VAR，将其中的变量VCE 删除。
（6）单击Simulate，等待仿真结束。 （7）单击List按钮，添加右图结果。 从列表可以看出，当Vce=2.7V，Ic=5mA时， IBB=50uA，VBE=799.2mV （8）在数据显示窗口中插入两个偏置电阻计 算方程，分别为Rb=（2.7-VBE）/IBB和 Rc数据列表如图所示。 （9）在数据显示窗口中单击List，在弹出的Plot Trace&Attibutes 窗口中选择Equation中的Rb和Rc，分别单击Add按钮添加，单击 Ok。从图中可以看出 当IBB=50uA时，偏置 电阻Rb=38千欧姆， Rc=469欧姆。
2.偏置网络仿真 下面就用电阻Rb和Rc构成直流偏置网络，并对带有偏置网络的原 理图进行仿真。首先创建带有偏置网络的原理图。 （1）以新的设计名“biasnet”保存设计“bjt_curve”，同时保存并关 闭“bjt_curve”的设计窗口和数据显示窗口。 （2）删掉电原理图设计窗口中的 “IBB”,”I_probe”和“Var”。 （3）按右图的方式连接起来。 （4）删除直流仿真控制器，然后 在“Simulation-DC”元件面板列表中 选择并插入一个直流仿真控制器。 由于本次仿真无需进行扫描操作， 因此不需要在直流仿真控制器中设 置任何扫描变量。
（8）单击工具栏中的Simulate，开始仿真。 （9）单击菜单栏中的Simulate>Annotate DC Solution，在原理图 中添加电压和电流值的注释，可以在原理图中得到电路中个点的电 压和各支路的电流，如前面图中所示。可以看出BJT三极管的各极 电压和电流都满足直流工作点要求。 这样，BJT的偏置网络的设计就完成了，下面用带有偏置网络的 BJT代替SP模型，对电路进行仿真。
封装模型的仿真 下面将带有偏置网络的BJT模型插入带有输入输出匹配的电路原理 图中，并对这个原理图进行仿真。 1.重新建立原理图 （1）打开spmod_LNA的电路原理图，并以LNA_package为名称 保存。 （2）删除原理图中的BJT的S参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125
（3）按照下图方式添加和连接电路图，网络中加入了两个DCBlck（3）按照下图方式添加和连接电路图，网络中加入了两个DCBlck 和两个DCFeed，它们的作用是隔离直流与交流电路，防止它们相 影响。
2.参数仿真 由于元件模型发生了改变，因此需要对电路进行重新仿真和优化。 具体过程如下： （1）选中原理图中的输入阻抗匹配电路DA_SSMatch1，并单击工 具栏中的Push Into Hierarchy，系统弹出DA_SSMatch1的子电路 按照下面内容重新设置微带线的参数。 TL1和TL2中加入参数优化{2mm to 40mm} （2）激活原理图中的所有空间， 并单击工具栏中的Simulate执行仿真。 （3）由于优化控件Opt有效，本次仿 真将对电路原理图进行优化，仿真结 束后，系统弹出数据显示窗口。
（5）分别在数据显示窗口添加LNA的稳定度，噪声系数，输入（5）分别在数据显示窗口添加LNA的稳定度，噪声系数，输入 输出驻波比的数据曲线。这样就完成了对低噪声放大器封装模型的 设计和仿真。
