1、信息学院射频电路设计课程设计课 题：低噪声放大器设计与仿真 姓 名： 指导老师：粟向军 专 业： 班 级： 学 号： 2目录一、低噪声放大器的功能和指标 31.低噪声放大器的功能 .32.低噪声放大器的主要技术指标 .3二、低噪声放大器的设计原则 5三、晶体管直流工作点的扫描 61.建立工程和原理图 62.直流工作点扫描 6四、晶体管的 S 参数扫描 .71.新建原理图 72.S 参数扫描 .8五、SP 模型仿真设计 .91.构建原理图 .102.SP 模型的仿真 .103.输入匹配设计 114.输出阻抗匹配设计 .13六、综合指标的实现 .151.放大器稳定性分析 152.噪声系数分析 15
2、3.输入驻波比与输出驻波比 15七、结论 .163一 低噪声放大器的功能和指标1 低噪声放大器的功能随着通信技术的飞速发展，人们对各种无线通信工具提出了更高的要求，功率辐射小，作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至通信设备制造商的普遍要求，系统接收灵敏度由下式决定：S=-174+NF+10log(BW)+S/N式中 NF 为噪声系数，BW 为系统带宽，S/N 为输入信号噪声比。因此，在各种特定的无线通信系统中，能有效提高灵敏度的关键因素是降低接收机的噪声系数 NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。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
3、噪声干扰。2. 低噪声放大器的技术指标低噪声放大器的主要指标包括：噪声系数(NF)、功率增益、输入输出驻波比、动态范围等，其中对整个系统影响最大的指标是噪声系数和放大增益。（1） 噪声系数噪声系数是指信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声使信噪比变坏，而信噪比下降的倍数就是噪声系数。其定义为：式中，n 为放大器输出端确定的信噪比。噪声系数通常用分贝表示：NF(dB)=10lgNF对于单级放大器而言，其噪声系数为：式中，Fmin 为晶体管最小噪声系数，由放大器本身决定，rn 是晶体管等效噪声电阻，是晶体管输入端的源反射系数，是获得最佳 Fmin 时的最佳源反射系数。对于多级放大器来说，其噪声系数
4、由下式决定： 32112.AAFNFG-=+sinsioPF=min224|(1)nsoptrFG-=+4在某些噪声系数要求极高的系统中，由于噪声系数很小，用噪声系数表示不方便，通常采用噪声温度表示，则噪声温度 Te 与噪声系数 NF 的换算关系：()01eTNF=-式中，T0为环境温度，通常为2900 K,NF 为放大器的噪声系数。（2） 噪声系数与接收机灵敏度的关系接收机灵敏度是维持接收机正常工作时。输入端所必需的最小信号功率(或电压)。在理想条件下，接收机内部噪声所决定的灵敏度作为衡量接收机质量的标准，则称为最高灵敏度。 设天线的输入信号为 Es，则为源内阻的热噪声，即 Pni=4kTR
5、sfn，于是其定义式可表示为：2,siniPE=，可检测的最小信号为：4nsnkTRfFD式中，Rs 是天线等效电阻，fn 是接收机通频带宽度，k 是波尔兹曼常数(1.3810-23JK)，T 为室温 17(290 K)。(3) 放大增益放大增益定义为输入功率与输出功率之比：outinPG=从式中可以看出，提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。所以一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围结合起来考虑。(4) 输入输出驻波比低噪声放大器的输入输出驻波比表征其端口回路的匹配情况。一般低噪声放大器的输入匹配
6、电路是按照最小噪声设计的，即接近最佳噪声匹配而不是最佳功率匹配，而输出端匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比设计的。所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种不匹配。为了减小放大器输入端不匹配所引起的端口反射，可插入损耗很小的隔离器方法解决。 (5) 动态范围动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小和最大功率的范围。动态范围的上限由最大可接收的信号失真决定，动态范围的下限取决于噪声性能。为了避免大信号输入时产生非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点 IIP3 较高一点，至少比最大输入信号高 30 dB。24snEFkTRf5二 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
7、，要注意以下几点：（1） 放大管的选择对微波电路中应用低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围，目前双极性低噪声管的工作频率可以达到几个千兆，噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，并且噪声系数在 1dB 一下。在该实验中我们选取晶体管做放大管。（2） 输入输出匹配电路的设计原则（3） 电路中压根注意的一些问题（4） 日前低噪声放大器方面的设计手段（5） 日前同行业低噪声放大器的发展水平6三 晶体管直流工作点的扫描1. 建立工程和创建原理图（1） 启动软件后建立新的工程文件lan，并且在Project Technology Files栏中选择“ADS Sta
8、ndard:Length unil-millimeter”,打开原理图设计窗口。（2） 选择File/New Design新建一个原理图，命名为bjt_curve,并在Schematic Design Temples栏中选择“BJT_curve_tracer”。（3） 点击 ，打开元件库，在 中输入41511，对41511的查询结果可以看到里面有这种晶体管的不同的模型，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的扫描，选择pb开头的模型，切换到Design窗口，放入晶体管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图 接入BJT的BJT_curve_tracer模板2.
9、 直流工作点扫描按Simulate 键，开始仿真，仿真结束，弹出结果窗口，如下，矩形图中就 是7BJT的直流工作点扫描曲线。四 晶体管的S参数扫描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=5mA。1. 新建原理图(1)新建一个原理图，命名为SP_of_spmod, 并在Schematic Design Temples栏中选择“S-Params”。 然后新的Design文件生成，窗口如下(2)加入sp模型的晶体管，并连接电路如图8DisplayTemplatedi
10、sptemp1“S_Params_Quad_dB_Smith“TempDispS_ParamSP1Step=0.05 GHzStop=5.10 GHzStart=0.1 GHzS-PARAMETERSsp_hp_AT-41511_2_19950125SNP1Frequency=“0.10 - 5.10 GHz“Bias=“Bjt: Vce=2.7V Ic=5mA“TermTerm2Z=50 OhmNum=2TermTerm1Z=50 OhmNum=1(3)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。观察sp模型晶体管的参数显示，在此例中，标定的频率
11、适用范围为0.15.1GHz，双击 在控件中作修改参数如右。2. S参数扫描(1)点击按键 ，进行仿真。仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，下图所示的史密斯圆图中就是BJT模型的S(1,1)参数和S(2,2)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。下图列出了 BJT模型的S(1,1)参9数和S(2,2)参数，它们分别表示了BJT的正向和反射的功率传输参数。 0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.00.0 5.55101520025freq, GHzdB(S(2,1)Forward Transmision, dB0.51.01.52.02.53.03.5
12、4.04.55.00.0 5.5-34-32-30-28-26-24-2-20-18-16-14-36-12freq, GHzdB(S(1,2)Reverse Transmision, dB(2)接着点击 ，激活的是数字列表的显示方式，在中选择S(1,1)，然后再点击 按扭，点确认就可在数据显示窗口中插入一个关于S(1,1)的数据列表，就可以观察在每个频率处的S(1,1)参数的幅度和相位值了。如右图所示。(3)双击图中的S参数仿真控制器，选中其中的Calculate Noise选项，单击确认，再次仿真，点击 按扭，激活的是图形显示方式，在左边所列的参数列表中选择n(f2)，然后点击 ，确认，然
13、后在弹出的数据显示格式对话框中选择dB，就在数据框中插入了一个关于n(f2)的矩形图，如下图所示1 2 3 4 50 61.52.02.53.01.03.5freq, GHznf(2)10五 SP模型仿真设计很多时候，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。本节首先设计sp_hp_AT-41511_2_19950125在2GHz处的输入、输出匹配。1. 构建原理图(1)建立新的工程文件，命名为spmod_LNA，并在Schematic Design Temples栏中选择“Simulation-S_Param
14、”。(2)在库中选出晶体管sp_hp_AT-41511_2_19950125，放在原理图窗口。(3)点击 ，放置负载终端元件Term1，Term2两个端口。(4)然后在原理图中插入两个地线。(5)点击 ，放置输入阻抗测试控件Zin，插入到原理图中。(6)点击 ，放置S参数扫描控件。并修改为上一节中的相同值。(7)连接电路图如下。2. SP模型的仿真(1)执行仿真，并等待结束。仿真结束后，在弹出的数据显示窗口中插入一个关于输入阻抗Zin1的数据列表，如图所示。(2)由列表中可得到2GHz点的输入阻抗为：20.083/19.829。换算为实/虚部的形式为18.89j*6.81。113. 输入匹配设
15、计本部分将为SP模型设计一个输入的茶杯网络，匹配网络是采用微带线实现的，具体过程如下。(1)选择TLines-Microstrip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)其中参数的含义是： H:基板厚度 Er:基板相对介电常数 Mur:磁导率 Cond:金属电导率 Hu:封装高度 T:金属层厚度 TanD:损耗角 Roungh:表面粗糙度(3)双击MSUB控件，设置微带参数,如图右所示。(4)选择passive-circuit dg-matching元件面板，点击 选择采用单分支线匹配电路SSMtch放置在原理图中。(5)双击SSMtch进行设置，设置好后如图所
16、示。(6)选中SSMtch电路，并单击菜单栏中的DesignGuidePassive Curcuit,在此时系统弹出 窗口中选择microstrip control window项，进入Passive Curcuit DesignGuidep窗口，在窗口中 单击 按钮，系统将自动完成设计过程。综合完毕 后，即可生成适合的匹配网络。(7)匹配网络生成后，点击push into hierarchy，进入匹配网络的子电路，如图所示。12PortP2Num=2PortP1Num=1 MLINTL2L=4.533 mmW=1.558 mmSubst=“MSub1“MLEFTL1L=10.502 mmW=
17、1.558 mmSubst=“MSub1“MTEETee1W3=1.558 mmW2=1.558 mmW1=1.558 mmSubst=“MSub1“(8)设计完成后，单击pop out按钮返回SP仿真的原理图中，将刚刚设计的匹配电路插入到图电路中，作为输入匹配电路，如下DA_SSMatch1_SP_of_spmod_1DA_SSMatch1Delta=0 mmZline=50 OhmZstub=50 OhmZload=18.89+j*6.81Zin=50 OhmF=2 GHzSubst=“MSub1“TermTerm1Z=50 OhmNum=1TermTerm2Z=50 OhmNum=2sp
18、_hp_AT-41511_2_19950125SNP1Frequency=“0.10 - 5.10 GHz“Bias=“Bjt: Vce=2.7V Ic=5mA“(9)电路连接完成后，执行仿真，等待仿真结束。(10) 仿真结束后在数据显示窗口中查看电路的S（1，1）参数和S（2，2）参数的史密斯圆图，并在频率为2GHz处分别插入标记，如下图。从图中可以看出，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；但对于输出端口来说，反射系数仍然不是很小，且输13出阻抗与负载阻抗还有一定的差距。(11) 观察数据显示窗口中关于S（1，2）参数和S（2，1）参数的矩形图。从图中也可以
19、看出，S（1，2）参数和S（2，1）参数也有一定的改善。1 2 3 4 50 6-40-20020-6040freq, GHzdB(S(2,1)Readoutm3m3freq=dB(S(2,1)=9.802.00GHz1 2 3 4 50 6-60-50-40-30-20-70-10freq, GHzdB(S(1,2)Readoutm4m4freq=dB(S(1,2)=-18.5812.050GHz(12) 在数据显示窗口中查看阻抗Zin1的数据列表，职下图所示，从图中也可以看出，当频率为2GHz时，电路的输入阻抗接近 50。freq1.600 GHz1.650 GHz1.700 GHz1.7
20、50 GHz1.800 GHz1.850 GHz1.900 GHz1.950 GHz2.000 GHz2.050 GHz2.100 GHz2.150 GHz2.200 GHz2.250 GHz2.300 GHz2.350 GHz2.400 GHz2.450 GHz2.500 GHz2.550 GHz2.600 GHz2.650 GHz2.700 GHz2.750 GHz2.800 GHz2.850 GHz2.900 GHz2.950 GHz3.000 GHz3.050 GHzZin127.948 + j6.948 30.014 + j7.454 32.364 + j7.715 34.663 +
21、 j7.560 37.177 + j7.032 39.868 + j6.024 42.656 + j4.417 45.407 + j2.091 47.911 - j1.045 49.948 - j4.200 51.485 - j8.098 51.840 - j13.425 50.795 - j18.953 48.356 - j23.660 44.892 - j27.680 40.477 - j31.114 35.610 - j33.306 31.206 - j34.468 26.886 - j34.742 22.787 - j33.984 19.189 - j32.735 16.077 - j
22、31.371 13.391 - j29.744 11.153 - j27.822 9.282 - j25.882 7.674 - j24.052 6.330 - j22.233 5.252 - j20.398 4.354 - j18.639 3.570 - j16.989 由以上的仿真结果可见，电路基本上已经达到了比较好的性能，职：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。下面就进行输入阻抗匹配设计。4. 输出阻抗匹配设计(1)对于输出及也使用单分支线的结构进行匹配选择14，点击微带线工具 和T形接头工具 ，连接电路如图，
23、元件的方向可以按 调整。(2)由输入匹配的设计，可知输入匹配网络的线宽为1.558mm（当然，实际制作电路的时候，不可能达到这样的精度），根据综合时的设置，这个宽度实际上就是50欧姆特征阻抗对应的线宽。因此，在输出匹配电路中，将所有的宽度设置为此宽度。如图。 MLINTL1L=21.8003 mm oW=1.588 mmSubst=“MSub1“MLINTL2L=2.5 mm oW=1.588 mmSubst=“MSub1“MTEE_ADSTee1W3=0.248 mmW2=1.588 mmW1=1.588 mmSubst=“MSub1“MLEFTL3L=10.1288 mm oW=1.588
24、 mmSubst=“MSub1“(3)完成微带线参数后，将输出匹配网络连接到SP模型中去，如下图所示。(4)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控件Optim并插入到原理图中。将优化控件中的Maxlters的值改为200，增加优化次数。再在列表中选择2 个优化目标控件GOAL，并插入到原理图中进行设15置，设置好后如图所示。GoalOptimGoal2RangeMax1=2.2GHzRangeMin1=1.8GHzRangeVar1=“freq“Weight=100Max=-15Min=SimInstanceName=“SP2“Expr=“dB(
25、S(2,2)“GOALGoalOptimGoal1RangeMax1=2.2GHzRangeMin1=1.8GHzRangeVar1=“freq“Weight=100Max=-20Min=SimInstanceName=“SP2“Expr=“dB(S(1,1)“GOAL插入一个新的S参数仿真控制器，并将其频率范围设置在2GHz附近，如右图。设置TLIN1和TL3的优化范围。双击TLIN1，先中L项，然后单击tune/opt/stat/doe setup进入如下窗口。把Optimization项设置好后如图所示，就把优化范围设置为2.0mm到40mm。TL3的设置方法和参数同上。16进行仿真，仿
26、真结束观察S（1，1） ，S（1，2）S（2，1）S（2，2）的数据曲线如下图所示。1 2 3 4 50 6-10-5-150freq, GHzdB(SP1.SP.S(1,1)1 2 3 4 50 6-60-40-20020-8040freq, GHzdB(SP1.SP.S(2,1)1 2 3 4 50 6-10-5-150freq, GHzdB(SP1.SP.S(2,2)1 2 3 4 50 6-80-60-40-20-100freq, GHzdB(SP1.SP.S(1,2)从图中可以看出，经过优化后，S（1，1）的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
27、输入阻抗，使电路的输入阻抗不再为50欧。但S(2,2)有了很大的改善，优化后的S（1，2）和S（2，1）也有了不同程度的改善。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。六 综合指标的实现171. 放大器稳定性分析首先来分析放大器的稳定性，放大器的稳定性理放大器的一个重要的指标，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_param元件面板中选择一个稳定系数测量控件StatbFct ，并插入到原理图中，如右图所示。(2) 使原理图设计窗口中的优化控件失效，进行仿真。(3) 仿真结束后
28、，在数据显示窗口中加入一个善于稳定系数的矩形图，如下图所示，可以看出在1.8GHz到2.2GHz的频率范围内，放大器的稳定系数都在于1，满足设计要求。2. 噪声系数分析数据显示窗口中加入一个关于nf(2)的曲线，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)在原理图中插入两个驻波比测量控件 VSWR，其中一个参数不变，另一个的测量方程改为VSWR2=vswr(S22)。如右图所示。(3)执行仿真，仿真结束后，在系统中插入一个关于 VSWR1 的矩形图和一个关于 VSWR2 的矩形图。由 VSWR1、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
29、输出驻波比，从图中可以看出在频率为 2GH 在、时，输入输出驻波比约为 1.5。得到的波形图如下。1.85 1.90 1.95 2.0 2.05 2.10 2.151.80 2.201.061.071.081.091.101.051.1freq, GHzSP2.StabFact11.85 1.90 1.95 2.0 2.05 2.10 2.151.80 2.201.901.911.921.931.891.94freq, GHznf(2)181.85 1.90 1.95 2.0 2.05 2.10 2.151.80 2.201.31.41.51.61.71.21.8freq, GHzSP2.VS
30、WR11.851.901.952.0 2.052.102.151.80 2.202.02.22.41.82.6freq, GHzSP2.VSWR2五、课程设计总结初次接触ADS软件来设计和仿真低噪声放大器，在设计运用过程中不仅了解了软件的基本用法，对射频电路的知识有了些深入的认识。以前没有自己全面动手设计一样电路，射频电路设计与仿真，整体上是大学三年的专业的一个综合，以前的基础知识必须扎实，不然每一个元件的性质和功能不懂的话，去理解电路是很难的。所以，在设计过程中我又捡起了以前逐渐淡忘的书本知识，书多读几遍自有新意。我以前不懂的地方现在看来并没有那么难，显得有点游刃有余。学习很有劲很开心，特别有成就感。没有以前那种厌烦了。这次课程设计我肯定有很大地方做的不好，或者没有完全理清楚原理，但我学到了很多。过程中是有收获的。同样在设计时也遇到了很多问题，细心查阅资料询问同学，最终得到了解决。总的来说，这次课程设计很有意义，为我以后的学习打下了一个好基础。
