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LNA的设计制作与调试

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低噪声放大器的设计 制作与调试 (一) 实验目的 n了解低噪声放大器的工作原理及设计方 法。 n学习使用ADS软件进行微波有源电路的 设计,优化,仿真。 n掌握低噪声放大器的制作及调试方法。 (二) 实验内容 n了解微波低噪声放大器的工作原理 。 n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。 n根据软件设计的结果绘制电路版图 ,并加工成电路板。 n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 n需要明确的概念 nS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。。。 n需要学习的知识 n匹配电路有哪些形式 n对晶体管如何馈电 nAnd so on… 2.软件仿真中需要注意的几个问 题 n要有好的软件设计习惯 n各种文件的命名 n电路的布局以及参数的设置和选择 n要有合理的设计顺序 n要记住你在使用的是软件 n物理概念要明确,不要在无意义的地方花时间 n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。 n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LW,软件中的模型才是对的。等等。 n注意如何规划仿真,才能尽快得到需要的电路 n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。 n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。 n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 n仿真时模型的选择1 n晶体管 nsp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。 n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 n仿真时模型的选择2 n集总参数元件 n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 n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 n选择File  New Design…进入下面的对话框 n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 n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 n如何在Design中加入晶体管 n点击 ,打开元件库 3.1晶体管直流工作点扫描 n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 n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 n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 n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 n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 n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 n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 n典型仿真结果图 3.1晶体管直流工作点扫描 n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。 n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。 n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 n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 n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 n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 n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 n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 n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。 n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。 n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 n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 n数据输出窗口如图 所示,图中以不同 形式显示输出S参数 。 n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 n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 n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 n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 n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 n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。 n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 n列表显示如图所示 。 n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 n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 n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 n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。 n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 n建立新的工程文件, 命名为spmod_LNA n在左侧选择S参数仿真 工具栏 n如图所示 3.3 SP模型仿真设计—构建原理电 路 n在库中选出晶体管 ,放置 在原理图窗口 n点击 ,放置Term1,Term2两个端口 n点击 ,设置接地 n点击 ,放置输入阻抗测试控件 n点击 ,放置S参数扫描控件 n修改S参数扫描控件的设置为需要值 n连接电路如下页图所示 3.3 SP模型仿真设计—构建原理电 路 n初始原理图 3.3 SP模型仿真设计—测试输入阻 抗 n仿真,在数据输出窗 口观察输入阻抗 n由列表中可得到 2GHz点的输入阻抗 为:20.083/19.829 n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 n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。 n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。 n其中参数的含义是: nH:基板厚度 nEr:基板相对介电常数 nMur:磁导率 nCond:金属电导率 nHu:封装高度 nT:金属层厚度 nTanD:损耗角 nRoungh:表面粗糙度 3.3 SP模型仿真设计—输入匹配设 计 n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 n选择 工具栏 n如:采用单分支线 的匹配。点击 , 放置在原理图中 n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 n下面使用ADS的综合 工具,综合出匹配网 络。 n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 n选定 n在原理图窗口的最上一 行,选择   后 ,弹出窗口如图 n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 n匹配网络生 成后,点击 ,进入匹配 网络的子电 路,如图所 示。 n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 n仿真结果:S参数 3.3 SP模型仿真设计-输入匹配设计 n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 n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。 n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。 n以下进行输出匹配设计 n需要说明的几点: n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; n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 n对于输出及也使用单分支线的结构进行匹配 n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 n需要对微带和接头的参数进行调整 n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 n优化工具栏为 n点击 ,加入优化 控件 n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 n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 n设置优化目标 n在2GHz附近降低 S(2,2) n同时2GHz附近的 S(1,1)保持尽量小 n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 n激活微带线的优化 n双击需要优化的微带 n点击 n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 n选择适合的优化方式 ,准备优化 n常用的主要是Random (随机法)和Gradient (梯度法) n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 n优化前的电路图 3.3 SP模型仿真设计-输出匹配设 计 n点击 ,开始优化。 n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。 n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 n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 n可见S(2,2)有了很大的改善,但同时 S(1,1)恶化了。 n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。 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 n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 n将sp模型替换为封装模型 n选择直流工作点并添加偏置电压 n进行馈电电路的设计(电阻分压、扇形线、高阻 线等的使用) n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 n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 n偏置电路的设计和电源滤波电路的设计。 n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。 n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 n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。 n各个接地点要就近接地。 n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。 S参数测试框图 噪声系数测试框图 n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 n将测试结果与仿真结果相比较,并看其是否满 足设计指标。 n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。 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? 3.3 SP模型仿真设计—输入匹配设 计 n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
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