实验五�低噪声放大器的设计�制作与调试

（一） 实验目的

• 了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。
• 学习使用ADS软件进行微波有源电路的设计，优化，仿真。
• 掌握低噪声放大器的制作及调试方法。

（二） 实验内容

• 了解微波低噪声放大器的工作原理。
• 使用ADS软件设计一个低噪声放大器，并对其参数进行优化、仿真。
• 根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。
• 对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求。

（三）低噪声放大器的技术指标

• 输入输出反射系数
• 噪声系数
• 放大器增益
• 稳定系数
• 通带内的增益平坦度

（四）用ADS软件设计低噪声放大器

• 本节内容是介绍使用ADS软件设计低噪声放大器的方法：包括原理图绘制，电路参数的优化、仿真，版图的仿真等。
• 下面开始按顺序详细介绍用ADS软件设计低噪声放大器的方法。

1.放大器设计的基本准备

• 需要明确的概念
• S参数、放大器增益（平坦度）、噪声系数、噪声温度、动态范围、三阶交调与1dB压缩点、稳定性、匹配。。。
• 需要学习的知识
• 匹配电路有哪些形式
• 对晶体管如何馈电
• And so on…

2.软件仿真中需要注意的几个问题

• 要有好的软件设计习惯
• 各种文件的命名
• 电路的布局以及参数的设置和选择
• 要有合理的设计顺序
• 要记住你在使用的是软件
• 物理概念要明确，不要在无意义的地方花时间
• 比如：按照加工精度，有些线条太细是不能实现的，另外追求小数点后面N位的精确也是无聊的。
• 注意仿真中使用模型的适用范围，比如：小信号模型就不能用来看三阶交调等非线性的曲线（看了也是错的），微带线仿真的时候，注意要L>W，软件中的模型才是对的。等等。
• 注意如何规划仿真，才能尽快得到需要的电路
• 要按照先局部后整体的优化，切忌直接全局优化，最好能够预先计算设置优化元件的初值。
• 要注意仿真的数值稳定性，对于对参数以来敏感的仿真结果在最后制作的时候是很难实现的。适当的时候需要考虑改系统拓扑。
• 养成不明白就多看看help的习惯

2.软件仿真中需要注意的几个问题

• 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
• ​

2.软件仿真中需要注意的几个问题

• 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，检验电路性能是否因此出现恶化。

3.ADS的使用

• 启动软件后建立新的工程文件并打开原理图设计窗口。

3.1晶体管直流工作点扫描

3.1和3.2节参照系统提供的典型电路设置，用以帮助大家熟悉ADS的一些最简单的操作。对于各种工具的详尽使用，请自行参阅帮助文件。

3.1晶体管直流工作点扫描

• 选择File  New Design…进入下面的对话框
• 在下面选择BJT_curve_tracer，在上面给新建的Design命名，这里命名为BJT Curve

3.1晶体管直流工作点扫描

• 在新的Design中，会有系统预先设置好的组件和控件，如下图

3.1晶体管直流工作点扫描

• 如何在Design中加入晶体管
• 点击 ，打开元件库

3.1晶体管直流工作点扫描

• 选择需要的晶体管，可以点击 查询

3.1晶体管直流工作点扫描

• 对41511的查询结果如下，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Esc键终止当前操作。

​

3.1晶体管直流工作点扫描

• 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，由于此晶体管发射极有两个管脚，在此处接一个即可。

3.1晶体管直流工作点扫描

• 按Simulate键 ，开始仿真，这时会弹出一个窗口，该窗口会现实仿真或者优化的过程信息。如果出现错误，里面会给出出错信息，应该注意查看。

3.1晶体管直流工作点扫描

• 仿真结束，弹出结果窗口，如下页图。注意关闭的时候要保存为适宜的名字。另外图中的Marker是可以用鼠标拖动的。由于采用的是ADS的设计模板，所以这里的数据显示都已经设置好了。一般情况下，数据的显示需要人为自行设置。

3.1晶体管直流工作点扫描

• 典型仿真结果图

3.1晶体管直流工作点扫描

• 实际上，模板中预设的扫描参数通常和需要的并不一致，需要在Design窗口的原理图上进行修改，修改的方法比较简单。参数扫描控件 很重要，在很多情况下会经常用到。
• 另外，一般参数的修改，既可以通过双击一个目标（元器件、控件等）来进行，也可以在设计窗口中激活显示参数来实现。高级设置的修改只能通过双击目标实现。
• 在本例中，可以适当调整扫描参数，然后仿真，在结果曲线上选择合适的直流工作点，获得相应的直流偏置电压（或电流）值。

3.2晶体管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
• 下面给出进行S参数扫描的具体操作

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 选择File  New Design…进入下面的对话框，在下面选择S-Params，在上面命名，为SP_of_spmod

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 然后新的Design文件生成，窗口如下

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 同3.1节对应操作，加入sp模型的晶体管，并连接电路如图。地的设置按上面的 键即可调入。图中的Term也是在仿真中要经常用到的组件，用以表示连接特征阻抗的端口。

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 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除电路的特性，但是由于模型已经失效，得到的数据通常是不可置信的。
• 在本例中，要在 控件中作相应的修改。

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 在 控件中修改参数如下

• 点击 按键，进行仿真，弹出数据输出窗口

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 数据输出窗口如图所示，图中以不同形式显示输出S参数。
• 如图可见，晶体管的输入匹配并不好

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 这里介绍一下数据显示格式的控制。用于格式控制显示的工具栏位于视窗的左侧。点击相应的工具，即可按照相应的数据格式输出仿真结果。里面的Eqn用于自定义相应的表达式，可对仿真得到的结果进行运算后输出。以下介绍一些基本的控制。

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 点击 ，激活的是图形显示方式，在左边所列的参数列表中选择需要的参数，如：S(1,1)后，在点击 将其加入右边的显示列表。

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 然后会弹出数据显示的格式，对于S(1,1)，选择dB。

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 得到S(1,1)的显示如图所示

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 点击 ，激活的是数字列表的显示方式，仿照前面，将需要的参数加入右边的显示列表。 对于S(1,1)默认的显示是模/辐角的格式。
• 点击 可以对结果的输出格式进行高级控制，如右下图设置为dB(S(1,1))，注意字母的大小写，可以按照dB的格式显示。

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 列表显示如图所示。
• 选中列表后，工具栏

被激活，可翻页查看所有的数据。

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 加入噪声系数的仿真：回到Design窗口，双击

控件，在Noise栏中，选中

然后仿真，进入数据输出窗口。

3.2晶体管S参数扫描-sp模型

• 选择适当的格式，显示2端口的噪声系数nf(2)。

3.3 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。

3.3 SP模型仿真设计—构建原理电路

• 建立新的工程文件，命名为spmod_LNA
• 在左侧选择S参数仿真工具栏
• 如图所示

3.3 SP模型仿真设计—构建原理电路

• 在库中选出晶体管 ，放置在原理图窗口
• 点击 ，放置Term1，Term2两个端口
• 点击 ，设置接地
• 点击 ，放置输入阻抗测试控件
• 点击 ，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
• 连接电路如下页图所示

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3.3 SP模型仿真设计—构建原理电路

• 初始原理图

3.3 SP模型仿真设计—测试输入阻抗

• 仿真，在数据输出窗口观察输入阻抗
• 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18.89＋j*6.81

​

3.3 SP模型仿真设计—输入匹配设计

• 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 和 工具栏里都有用于微带线参数设置的控件，单击 ，在原理图中放置微带参数设置控件。
• 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
• ​
• ​

3.3 SP模型仿真设计—输入匹配设计

• 在MSub中，修改参数为需要值，如图所示

3.3 SP模型仿真设计—输入匹配设计

• 选择 工具栏
• 如：采用单分支线的匹配。点击 ，放置在原理图中
• 其中各参数的含义请参阅帮助文档。

3.3 SP模型仿真设计—输入匹配设计

• 下面使用ADS的综合工具，综合出匹配网络。
• 双击 进行参数编辑，频率设置为2GHz，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。

3.3 SP模型仿真设计—输入匹配设计

• 选定
• 在原理图窗口的最上一行，选择 



后，弹出窗口如图

• 选择 ，综合完毕后，即可生成适合的匹配网络

3.3 SP模型仿真设计—输入匹配设计

• 匹配网络生成后，点击 ，进入匹配网络的子电路，如图所示。
• 其中的T形接头 为计算时考虑阻抗突变引入的。在实际电路中并不代表任何实际长度的电路，具体的含义请参阅帮助文档。

3.3 SP模型仿真设计-输入匹配设计

• 仿真结果：S参数

3.3 SP模型仿真设计-输入匹配设计

• 仿真结果：输入阻抗、稳定系数、噪声系数

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 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。
• 以下进行输出匹配设计
• 需要说明的几点：
• 实际上，输出匹配的设计同输入匹配一样，可以采用先计算输出阻抗再由软件综合生成；
• 在下面的设计中采用的方法并不是合适的方法，仅是为了介绍优化工具的使用，请注意。

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 对于输出及也使用单分支线的结构进行匹配
• 选择 ，点击微带线工具 和T形接头工具 ，连接电路如图，元件的方向可以
• 按 调整。

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 需要对微带和接头的参数进行调整
• 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。

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 优化工具栏为
• 点击 ，加入优化控件
• 点击 ，加入优化目标控件

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 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。如图。

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 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”

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 激活微带线的优化
• 双击需要优化的微带
• 点击
• 然后激活优化，并设置优化范围（一般来说越小越好）

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 选择适合的优化方式，准备优化
• 常用的主要是Random（随机法）和Gradient（梯度法）
• 随机法通常用于大范围搜索时使用，梯度法则用于局域收敛。

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 优化前的电路图

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 点击 ，开始优化。
• 优化结束后，选择Simulate工具中的更新数据选项更新优化后的电路参数。
• 使用 将优化控件关闭（ 用于激活对象），再点击 重新仿真即可得到优化后的电路特性。

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 经过一次随机优化的S参数如图

3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设计

• 可见S(2,2)有了很大的改善，但同时S(1,1)恶化了。
• 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。

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• ​

3.3 SP模型仿真设计-综合指标实现

• 将噪声系数、放大器增益、稳定系数都加入优化

目标中进行优化，并通过对带内放大器增益的限制

来满足增益平坦度指标，最终达到各个要求指标。

• 如果电路稳定系数变得很小(低于0.9)，难以达到

优化目标，或者S(1,1)的值在整个频带内的某些频

点在0dB以上，则需要加入负反馈，改善放大器的

稳定性。

• 对部分电路指标的优化可能导致其它某些指标的恶化，可以根据需要增加一些优化变量。

3.3 SP模型仿真设计-原理图

3.3 SP模型仿真设计-仿真结果

3.4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，有以下工作需要进行
• 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
• 进行馈电电路的设计（电阻分压、扇形线、高阻线等的使用）
• 替换为封装模型后各项参数会有所变化，如果不满足技术指标的话可以对封装模型的原理图再进行仿真优化。
• ​

3.4封装模型仿真设计-直流工作点的选择

建立如下电路对器件的I-V特性进行仿真，以选择直流工作点。

3.4封装模型仿真设计-偏置电路的设计

• 在设计偏置电路时，要为了防止交流信号对直流电源的影响，在电源与馈电点之间需要添加1/4波长高阻线以遏制交流信号。
• 注意如果电路中有终端短路的微带线时，为了避免直流短路，应在接地端插入隔直电容。

为了简单起见，偏置电路设计可以不进行原理图仿真，直接在画版图时实现。

（五）绘制电路版图

• 仿真完成后要根据结果用Protel软件绘制电路版图，绘制版图时要注意以下几点
• 偏置电路的设计和电源滤波电路的设计。
• 所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路，下层整个作为接地。
• 根据版图的大小尺寸要求调整功分器两边50欧姆阻抗线的长度，便于安装在测试架上
• 在绘制版图时受加工精度的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，线宽要大于0.2mm。
• 各个接地点要就近接地。
• 由于制板时实际线宽往往要比设计线宽小0.01mm左右，在绘制版图时要考虑这个问题。

偏置电路设计举例

图中R1和C1、C2用作电源滤波，R2和R3用作分压，以提供合适的直流偏置电压。

电路版图举例

（六）低噪声放大器的制作与调试

• 对照设计版图检查加工好的微波电路板（包括微带线尺寸，电源输出，沉铜孔的位置等），并按照所用的电路元件表准备元器件。
• 按照电路原理图进行焊接，首先焊接放大器的供电部分，通电检查电压正确后再焊接其他无源器件（电阻，电容，电感），最后将晶体管按正确方式焊接。
• 在检查焊接无误后，将电路板安装到测试架上，接通直流电源测量放大器的直流工作点，并进行调整，使其满足设计要求。

低噪声放大器的制作与调试（续）

• 按下面的测试框图对放大器的各项指标进行测试（网络分析仪和噪声仪的使用参照仪器说明）。注意：在测试前必须检查放大器的输入输出端是否已接耦合电容，否则会造成仪器损坏。
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• S参数测试框图 噪声系数测试框图

• 需要测试的参数主要有以下几个
• S11，S22：输入、输出端的反射系数
• S21：传输系数，由此可测得放大器的增益
• 噪声系数
• 将测试结果与仿真结果相比较，并看其是否满足设计指标。
• 若不满足设计指标，则对结果进行分析后，通过调整元器件的参数（电容，电感，电阻的值），使其达到设计指标。

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低噪声放大器的制作与调试（续）

思考题

• 稳定系数为什么要在包括通带的全频域内满足条件？
• 设计低噪声放大器的匹配电路和其它匹配电路有什么不同的地方？
• Sp模型能否进行I-V特性曲线仿真，仿真得到的结果能否代表这一器件的实际I-V特性？
• 在加入馈电时使用1/4波长高阻线的原理是什么？还有没有别的方法加入馈电？
• 微带电路的接地方式与数字或低频模拟电路有什么区别？为什么？
• 如果要减小低噪声放大电路的尺寸，可以采取哪些措施？

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3.3 SP模型仿真设计—输入匹配设计

• 接入匹配网络；插入 ，用以计算稳定系数

3.4封装模型仿真设计-原理图