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精选优质文档-倾情为你奉上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： 专 业： 班 级： 学 号： 专心-专注-专业简单放大器的设计 一、 摘要先进设计系统(Advanced Design System)，简称ADS，是为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。 在小信号设计中确定最佳输出阻抗通常使用负载线法，负载线法的主要工作是计算功率管的负载线，在使用电压确定的情况下，根据输出功率参考功率器件资料中给定的电流-电压曲线可以得到该曲线，从而确定出最佳输出阻抗的实部。该方法使用仿真软件就可以进行，不需要昂贵的仪器，适用于大多数的设计情况。本文主要介绍关于ADS简单放大器的设计，包括原理图的绘制，电路参数的优化、仿真等等。二、 设计目的和意义1、了解简单放大器的基本原理，作好设计简单放大器的准备；2、学习软件仿真注意要点；3、掌握ADS软件仿真的基本操作；4、运用ADS设计并仿真出简单放大器的相关结果。三、 设计原理1、仿真模型选择：（1）晶体管：A、SP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，对于某型应用来说已经足够，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。B、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layout的大信号模型可以用来生成版图。（2）集总参数元件：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，校验电路性能是否因此出现恶化。2、采用小信号S参数之前，首先根据IV曲线计算出，最大输出功率的负载电阻，再通过匹配电路对功率管输出电路进行匹配，就能得到最大的输出功率，同时也需要对输入电流进行匹配，以得到较高的增益和良好的驻波特性。3、想要得到最大的输出功率，必须对管子的匹配电路进行优化，应先把管子的封装寄生元件确定。采用从小信号S参数中提取的方法。通常这些寄生的元件可模拟成串联在栅极、漏极和源极的电感、电阻电路。该仿真模型的电路原理图用ADS软件建立并分析。用ADS软件的优化功能调整模型的S参数，使其和器件给定的小信号S参数基本相同，这样就可以使用得到该管子比较准确的寄生元件的数值。四、 详细设计步骤（一）、启动软件，创建新的工程文件，命名为ExampleLNA，同时设置电路尺寸的单位为millimeter。（二）、SP模型仿真设计：1、构建原理电路（1）建立新的工程文件，命名为spmod_LNA,并在左侧选择S参数仿真工具栏simulation-S_Param；（2）在库中选出晶体管sp_hp_AT-41511_2_19950125，放置在原理图窗口：点击Term选项口，放置Term1，Term2两个端口；点击接地选项口，放置接地；点击2in选项口，放置输入阻抗测试控件；点击SP选项口，放置S参数扫描控件。修改S参数扫描控件的设置为需要值，连接电路如下图所示：图一 、初始原理图2、测试输入阻抗（1）仿真，在数据输出窗口观察输入阻抗。（2）由图二列表中可得出2GH点的输入阻抗为20.083/19.829，换算为实/虚部的形式：18.89-j*6.81。图二、输入阻抗列表3、输入匹配设计（1）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。在Tlines-Microstrip和Passive Circuit-Matching工具栏里都有用于微带线参数设置的控件，单击MSUB选项口，在原理图中放置微带参数控件。其中各参数的含义是：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：表面粗糙度在MSUB中，修改参数为需要值，如右图所示：（2）选择Passive Circuit-Matching工具栏，采用单分支线的匹配，点击SSMtch选项口，放置在原理图中。使用ADS的综合工具，综合出匹配网络。双击原理图中的匹配器，进行参数编辑，频率设置为2GH，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18.89-j*6.81。（3）选定匹配器，在原理图窗口的最上一行，选择DesignGuidePassive Circuit DesignGuideAuto-Design（Design Assistant）.后，在弹出的窗口中选择Design，综合完毕后，即可生成适合的匹配网络。（4）匹配网络生成后，点击并进入匹配网络的子电路，如下图三所示：图三、匹配网络的子电路图其中的T形接头为计算时考虑阻抗突变引入的。在实际电路在并不代表任何实际长度的电路。（5）接入匹配网络；插入StabFct，用以计算稳定系数，如下图所示：图四、输入匹配网络电路图仿真结果如结果图一、图二所示，图二为输入阻抗、稳定系数、噪声参数列表。4、输出匹配设计（1）对于输出级也使用单分支线的结构进行匹配。选择Tlines-Microstrip，点击微带线工具MLIN、MLEF和T形接头工具MTEE，连接电路如下图，元件的方向可以调节。（2）需要对微带和接头的参数进行调整。由输入匹配网络的线宽为1.558mm（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特征阻抗（50欧姆）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。（3）优化工具栏为Optim/Stat/Yield，点击Optim选项口，加入优化控件，点击Goal选项口，加入优化目标控件。根据优化需要，添加一个新的S参数控件，并将其频率范围设置在2GHz附近，如右图所示。（4）设置优化目标。在2GHz附近降低S（2,2），同时2GHz附近的S（1,1）保持尽量小。由于是在当前的两个目标是在2GHz附近，故相应参数设为“SP2”。（5）激活微带线的优化。双击需要优化的微带，点击Optimization/Statistics Setup，然后激活优化，并设置优化范围（一般来说越小越好）。（6）选择适合优化的方式，准备优化，常用的主要是Random（随机法）和Gradient（梯度法）。随机法常用于大范围搜索时使用，梯度法则用于拒不收敛。优化前电路如下图所示。图五、优化前电路图（7）点击并开始优化，优化结束后，选择Simulate工具中的更新数据更新优化后的电路参数。将优化控件关闭，再点击运行重新仿真即可得到优化后的电路特性。得到的经优化后的结果如结果图三所示。五、 设计结果及分析结果图一、S参数结果图二、输入阻抗、稳定系数、噪声系数分析：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。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。结果图三、经过一次随机优化的S参数分析：S（2,2）有了很大的改善，但同时S（1,1）恶化，反复调整优化方法、优化目标中的权重Weight，必要时还可以对输入匹配网络进行优化，最终得到合适的结果。对部分电路指示的优化可能导致其他某些指标的恶化，可以根据需要增加一些优化目标。如果电路稳定系数变得很小，或者S（1，1）的值在整个频带内的某些频点在0dB以上，则需要加入反馈，改善放大器的稳定性。六、 总结ADS是高频设计的工业领袖。它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到最复杂，从射频微波模块到用于通信和航空航天国防的MMIC。 通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术，ADS让设计师全面表征和优化设计。单一的集成设计环境提供系统和电路仿真器，以及电路图捕获、布局和验证能力 因此不需要在设计中停下来更换设计工具。它为蜂窝和便携电话、寻呼机、无线网络，以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设计集成。以上简单介绍了ADS的一些最基本的用法，在实际使用软件时，会遇到各种具体的问题，解决的最好方法就是仔细看看帮助文件。仅仅完成这份材料中的操作，离设计成功大概还有相当的距离。在仿真的过程中，要是在明确物理概念，避免无意义的工作。ADS软件功能很强大，还可以进行通信系统仿真、CDMA、数字电视等等的设计，可以看它的example project，希望今后能够慢慢发掘。七、 体会在这次的专业方向设计中，我主要做的是简单放大器的设计与仿真，并在仿真结果中找到优化设计的方法。虽然以前也学习过简单放大器的一些知识，但这次经过了自己亲自动手翻阅资料，了解了更多简单放大器的基本原理，为设计简单放大器作了更充分的准备。只有更多的理解原理与知识，在这个的设计过程中出现错误才知道如何改正，同时也更加理解每一步的意义。在这个设计过程中，最开始要克服的难点是掌握ADS软件仿真的基本操作。由于没接触过ADS软件，更加没有使用其仿真设计电路，对于软件的使用很是陌生，安装时就出现了一些问题，要不断不断的重装才能够使用。此外，要更多的熟悉软件的窗口功能、每一步的流程等等操作，防止在设计仿真时出错却不知该从何改起。电路的实际设计与仿真操作是要攻克的第二大难关，在一次又一次的反复仿真与运行之后，才得出结果，同时还有一些问题是向同学请教才得以解决的。希望今后能更多的使用ADS软件进行设计和仿真，能更好的掌握ADS的使用方法。八、 参考文献（递增引用，引用相关内容）1 康华光电子技术设计基础模拟部分（第五版）高等教育出版社，2006122 罗先觉电路（第五版）高等教育出版社，200712
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