ADS2009低噪声放大器的设计

低噪声放大器设计与仿真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：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 unilmillimeter”。（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。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。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。（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。（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0.15.1GHz，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。（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DesignGuidPassive 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PopOut，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，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，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ToolsLincalcStartLincalc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SimulateUpdate 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SimulateAnnotate 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。（4）在数据显示窗口中加入S参数（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。