低噪声放大器的设计制作与调试报告

微波电路CAD射频实验报告姓名班级学号实验一低噪声放大器的设计制作与调试一、实验目的（一）了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。（二）学习使用ADS软件进行微波有源电路的设计，优化，仿真。（三）掌握低噪声放大器的制作及调试方法。二、实验内容（一）了解微波低噪声放大器的工作原理。（二）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。（三）根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。（四）对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求。三、实验步骤及实验结果（一）晶体管直流工作点扫描1、启动软件后建立新的工程文件并打开原理图设计窗口。2、选择File——NewDesign…进入下面的对话框；3、在下面选择BJT_curve_tracer，在上面给新建的Design命名，这里命名为BJTCurve；4、在新的Design中，会有系统预先设置好的组件和控件；5、如何在Design中加入晶体管；点击，打开元件库；6、选择需要的晶体管，可以点击查询；7、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；8、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；9、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。10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11、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12、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。图1BJTCurve仿真原理图13、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。14、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。图2典型仿真结果图（二）晶体管S参数扫描1、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；2、选择FileNewDesign…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、然后新的Design文件生成，窗口如下：图3S参数仿真模型4、同上面对应操作，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。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。5、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。6、在本例中，要在控件中作相应的修改。7、修改好之后，点击按键，进行仿真，弹出数据输出窗口，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。图4输出S参数（三）SP模型仿真设计构建原理图：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。1、本节首先设计sp_hp_AT-41511_2_19950125在2GHz处的输入、输出匹配。2、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：图5连接好的电路图测试输入阻抗仿真，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。图6输入阻抗表图7修改MSub值输入匹配设计：在MSub中，修改参数为需要值，如图7所示下面使用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。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，匹配网络生成后，点击，进入匹配网络的子电路，如图8所示。图8匹配电路图图9S参数仿真结果图10输入阻抗、稳定系数、噪声系数仿真结果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。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。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。优化工具栏为点击，加入优化控件点击，加入优化目标控件，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”。图11优化前的电路图点击，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。经过一次随机优化的S参数如图图12一次随机优化的S参数如图可见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。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。图13整个实验原理图图14整个实验优化结果四、实验心得通过本次实验，让我了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。使我了解了ADS软件设计低噪声放大器的流程和方法以及相关元件库文件和元件库的使用。学习熟悉了使用ADS软件进行微波有源电路的设计，优化，仿真的全过程。实验二压控振荡器VCO的设计一、实验目的（一）了解压控振荡器VCO的原理和设计方法（二）学习使用ADS软件进行VCO的设计，优化和仿真。二、实验内容（一）了解振荡器的主要技术指标（二）使用ADS软件设计一个VCO，并对其参数进行优化、仿真。（三）观察不同的参数对VCO工作的影响三、实验步骤及实验结果1、启动ADS进入如下界面2、点击File-NewProject设置工程文件名称（本例中为Oscillator）及存储路径工程文件创建完毕后主窗口，同时原理图设计窗口打开。3、设计振荡器这种有源器件，第一步要做的就是管子的选取，设计前必须根据自己的指标确定管子的参数，选好三极管和变容二极管；第二步是根据三极管的最佳噪音特性确定直流偏置电路的偏置电阻；第三步是确定变容二极管的VC特性，先由指标（设计的振荡器频率）确定可变电容的值，然后根据VC曲线确定二极管两端直流电压；第四步是进行谐波仿真，分析相位噪音，生成压控曲线，观察设计的振荡器的压控线性度。4、设计指标：设计一个压控振荡器，振荡频率在1.8GHz左右。第一步根据振荡频率确定选用的三极管，因为是压控振荡器，所以还需要一个变容二极管；第二步需要用到ADS的直流仿真；第三步通过S参数仿真确定变容二极管的VC曲线；第四步用HB模块来进行谐波仿真，计算相位噪音。设计的振荡器采用HP公司生产的AT41411硅双极管[12]，变容二极管选MV1404。AT41411的主要指标有：低噪音特性：1GHz噪音系数是1.4dB，2GHz噪音系数是1.8dB；高增益：1GHz时增益为18dB，2GHz时增益为13dB；截止频率：7GHz，有足够宽的频带；1.8GHz时最佳噪音特性：Vce＝8V，Ic＝10mA；振荡器采用的初始电路如下图所示，图中的三极管、二极管以及电阻电容等器件在ADS的器件库中均可以找到。图1初始振荡器电路5、在电路原理图窗口中点击，打开Componentlibrary，按“ctrl+F1”打开搜索对话窗口；搜索器件“ph_hp_AT41411”这就是我们在该项目中用到的Agilent公司的晶体管；把搜索出来的器件拉到电路原理图中，按“Esc”键可以取消当前的动作。选中晶体管，按可以旋转晶体管，把晶体管安放到一个合适的位置。选择probecomponents类，然后在这个类里面选择L_Probe并放在适当的位置，同理可以在“Sources－TimeDomain”里面选择V_DC，在lumpedcomponents里面选择R。在optim/stat/Yield/DOE类里面选择GOAL，这里需要两个，还有一个OPTIM。在Simulation－DC里面选择一个DC。上面的器件和仿真器都按照下图放好，并连好线。按NAME钮出现对话框后，可以输入你需要的名字并在你需要的电路图上面点一下，就会自动给电路节点定义名字，如下图中的“Vcb”，“Veb”节点。图2修改后的电路图采用双电源供电的方法，设置两个GOAL来进行两个偏置电阻的优化，考虑到振荡器中三极管的工作状态最好是远离饱和区，还要满足三极管1.8GHz时的最佳噪音特性，所以直流偏置优化的目标是Ic=10mA，Vcb＝5.3V。6、新建一个电路原理图窗口如上面的做法一个，建立如下图所示的电路图，其中“Term”、“S-PARAMETE”、“PARAMETERSWEEP”都可以在“Simulation－S_Param”里面找到。变容管的型号是“MV1404”可以在器件库里面找到，方法可以参考上面查找晶体管的方法。图3建立的新电路图7、按VAR键并双击它，修改里面的项目，定义一个名为：“Vbias”的变量，设置Vbias＝5V作为Vbias的初始值。修改电源的属性，使Vdc＝Vbias。修改S参数的属性，设置单点扫描频率点1.8GHz，并计算“Z参数”。修改PARAMETERSWEEP的属性，要求扫描变量“Vbias”，选择Simulatuion1“SP1”，扫描范围为1－10，间隔为0.5。按“F7”进行电路仿真。在“DateDisplay”按Eqn，并在对话框里编辑公式为：在Eqn中选择C_Varactor，得到VC曲线和表格如下：图4VC曲线和表格8、利用TransientSimulation仿真器仿真从0到30nsec的瞬时波形，如下图所示：图5电路图注意：记得一定要添加“Vout”这个节点名称。按“F7”开始仿真。在出来的“DataDisplay”窗口里面，输出“Vout”的瞬时波形，按，并“new”一个新的“Marker”，在“Vout”的瞬时波形图中，点击一下，然后移动鼠标，把“marker”移动到需要的地方，就可以看到该点的具体数值。结果如下图所示：图6仿真结果图按Eqn编辑公式：，这表示要对“Vout”在“Marker”m3，m4之间进行一个频率变换，这样出来的“Spectrum”就是m3和m4之间的频谱。输出Spec