低噪声放大器设计与仿真

实验3 低噪声放大器设计与仿真
实验目的：
1.了解微波低噪声放大器的技术指标和设计方法；
2.掌握使用ADS软件进行微波有源电路的设计、仿真与优化。

实验内容：
3.1 低噪声放大器的基础知识
3.2 晶体管直流工作点扫描
3.3 晶体管S参数扫描
3.4 SP模型的仿真设计
3.1 低噪声放大器的基础知识
1. 低噪声放大器的作用
●放大微弱信号
●降低噪声干扰
在接收机或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就是降低接收机的噪声系数，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。

因此，低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。

2. 低噪声放大器的主要技术指标
●噪声系数
●放大器增益
●增益平坦度
●稳定系数
●输入输出驻波比
●通频带、中心频率
●输出功率
●…
提高低噪声放大器的增益对降低接收机的噪声系数是非常有利的，但是低噪声放大器的增益过高会影响到整个接收机的动态范围。

因
此，一般来说，低噪声放大器的增益应与系统的整机噪声系数、接收机的动态范围等结合起来考虑。

3. 低噪声放大器的设计方法
①选择合适的晶体管，下载并安装晶体管的库文件。

②进行直流分析，确定直流工作点。

③偏置电路设计。

④稳定性分析。

⑤噪声系数圆和输入匹配设计。

⑥最大增益的输出匹配设计。

⑦匹配网络的实现。

⑧版图的设计。

⑨原理图和版图的联合仿真。

4. 软件仿真注意事项
➢仿真时模型的选择1
晶体管
✓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。

✓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。

➢仿真时模型的选择2
集总参数元件：电容、电阻、电感
✓在进行电路优化时，可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. 低噪声放大器的设计指标
设计指标：
①频率：1.8~2.2 GHz；
②噪声系数：< 3.0 dB；
③增益：> 10 dB；
④增益平坦度：< 0.5 dB / 5MHz (带内) ；
⑤输入驻波比：< 2.0；
⑥输出驻波比：< 2.5；
此处选择Agilent公司的AT41511，也可选择其他公司的管子。

3.2 晶体管直流工作点的扫描
☐建立工程
☐晶体管直流工作点扫描
目的：进行直流工作点扫描和分析；检查电路的静态工作点。

☐偏置电路的设计
☐稳定性分析
③点击【OK】按钮确认，新的原理图窗口会被打开。

窗口中有
系统预先设计好的组件和控件。

直流工作点扫描注意事项
⑥所得到的偏置电路图如下图所示。

实际电路中需将电阻用相近
的常规标称值电阻代替。

3.3 晶体管的S参数扫描
选定晶体管的直流工作点后，就可以进行晶体管的S参数扫描和稳
定性分析。

本节选用S参数模型：sp_hp_AT-41511_2_19950125，该模型对应的工作点为Vce=2.7V、Ic=5mA。

晶体管S参数的扫描
3.4 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。

本节首先设计sp_hp_AT-41511_2_19950125 在2GHz处的输入、输出匹配。

☐输入匹配设计☐输出匹配设计
⑧对电路进行仿真，并查看结果。

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50Ω；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。

请自行查看S21和S12、Zin、nfmin、nf(2)的仿真结果。

④设置TL1和TL3的优化范围。

双击TL1，选中L项，然后单击进入如下窗口。

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。

也可将长度均设置为变量，再设置优化范围。

⑤进行优化，并观察仿真结果。

⑥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。

⑦仿真完成后，建立完整的原理图。

⑧在原理图中加入直流偏置网络，并仿真，观察仿真结果。