基于ADS的低噪声放大器设计与仿真论文.docx

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基于ADS的低噪声放大器设计与仿真论文

齐齐哈尔大学

综合实践（论文）

题目基于ADS的低噪声放大器设计与仿真

学院通信与电子工程学院

专业班级xxxxxxxx

学生姓名xxxxxxx

学生学号xxxxxxxxxxx

指导教师xxxxx

摘要：

低噪声放大器，实质上就是噪声系数很低的放大器。

一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。

噪声放大器主要面向移动通信基础设施基站应用，例如收发器无线通信卡、塔顶放大器、组合器、中继器以及远端/数字无线宽带头端设备等应用设计。

本次课程设计的主要目的是熟练运用先进设计系统（ADS）仿真软件设计一个基于BJT的低噪声放大器，其仿真结果能够实现放大微弱信号，从而降低噪声干扰。

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。

关键词：

低噪声放大器先进设计系统双极结型晶体管噪声系数接收机

第一章绪论

1.1概述

低噪声放大器，噪声系数很低的放大器。

一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。

在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。

1.2低噪声放大器的应用

噪声放大器（LNA）主要面向移动通信基础设施基站应用，例如收发器无线通信卡、塔顶放大器（TMA）、组合器、中继器以及远端/数字无线宽带头端设备等应用设计，并为低噪声指数（NF,NoiseFigure）立下了新标杆。

1.3本文课程设计实验目的及意义

1.3.1实验设计目的：

1.了解微波低噪声放大器的概念及原理；

2.了解微波低噪声放大器的技术指标和设计方法；

3.掌握使用ADS软件进行微波有源电路的设计、仿真与优化。

1.3.2实验设计意义：

低噪声放大器能放大微弱信号，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。

第二章低噪声放大器基础

2.1低噪声放大器的功能和指标

一、功能：

低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。

二、指标：

主要指标包括：

噪声系数，放大增益，输入输出驻波比，反射系数和动态范围等。

2.2软件设计仿真时注意事项

在进行低噪声放大器的实际设计中，一定要注意一下几点：

（1）放大器中放大管的选择。

（2）仿真时模型的选择：

（一）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。

（二）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。

（3）输入输出匹配电路的设计原则。

（4）电路中需要注意的问题：

一般对于低噪声放大器采用高Q值的电感完成偏置和匹配功能，由于电阻会产生附加的热噪声，放大器的输入端尽量避免直接连接到偏置电阻上。

（5）目前低噪声放大器方面的设计手段：

LNA基本上采用ADS。

（6）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。

下面开始在仿真软件中设计一个基于BJT的低噪声放大器。

第三章低噪声放大器的设计与仿真

3.1晶体管直流工作点的扫描

3.1.1建立工程

（1）运行ADS2009，选择FileNewProject命令，弹出“NewProject”（新建工程）对话框，可以看见对话框中已经存在了默认的工作路径（可以改变）。

并且在ProjectTechnologyFiles栏中选择“ADSStandard：

Lengthunil—millimeter”。

（2）单击OK，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。

注：

原理图设计窗口打开之前，会弹出如图3-1窗口。

单击Cancel即可。

图3-1

3.1.2晶体管工作点扫描

（1）FileNewDesign…在工程中新建一个原理图。

（2）在新建设计窗口中给新建的原理图命名，这里命名为bjt_curve;并在SchematicDesignTemples栏中选择“BJT_curve_tracer”,这是一个专门用来扫描BJT工作点的模板。

如图3-2所示。

图3-2

（3）单击OK，此时新的原理图窗口被打开，窗口中已经出现一个专门用于对BJT进行直流工作点扫描的模板，会有系统预先设好的组件和控件，如图3-3。

对BJT进行工作点扫描的过程就是一个直流仿真的过程，因此模板中的仿真控制器为直流仿真控制器，而扫描的变量是BJT的CE极电压VCE和B极电流IBB。

图3-3

（4）单击工具栏中的DisplayComponentLibraryList,打开元件库，图3-4。

图3-4

（5）在Component上栏的Serch中,输入41511。

（6）回车查找结束后可以看到这种晶体管的不同模型:

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扫描。

选择pb开头的模型pb_hp_AT41511_19950125,右键单击该模型，选择PlaceComponent，切换到Design窗口，放入晶体管。

（7）将BJT元件与原来原理图窗口中的BJT_curve_tracer模板原理图按照下图3-5的方式连接起来。

由于此晶体管发射极有两个管脚，在此处接一个即可。

图3-5

（8）这样对晶体管进行直流工作点扫描的电路就完成了，单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待仿真结束。

电路图如图3-6所示。

图3-6

（9）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，如图3-7。

由于使用的是仿真模板，需要的仿真结果已经出现在窗口中，图中就是BJT的直流工作点扫描曲线以及BJT的直流工作点和功耗。

图3-7

3.2晶体管的S参数扫描

选定晶体管的直流工作点后，下面就可以进行晶体管的S参数扫描了，我们选用的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。

（1）按照前面所述方法新建一个原理图，新建的原理图命名为SP_of_spmod;并在SchematicDesignTemples栏中选择“S-Params”。

（2）单击OK后，生成新的原理图，如图3-8所示，原理图中是一个S参数仿真的模板。

图3-8

（3）同前操作一样，加入sp模型的晶体管sp_hp_AT-41511_2_19950125,并按图3-9连接电路。

可以看出，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。

图3-9

（4）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出电路的特性，但是由于模型已经失效，得到的数据通常是不可信的。

因此，需要对S参数仿真模板中的频率扫描范围进行更改。

（5）双击模板中的S参数仿真控制器，在参数设置窗口中按照如下内容进行参数设置：

（一）、Start=0.10GHz,表示扫描的起始频率为0.1GHz，由SP模型的起始频率决定。

（二）、Stop=5.1GHz，表示扫描的终止频率为5.1GHz，由SP模型的终止频率决定。

（三）、Step=0.05GHz，表示扫描的频率间隔为0.05GHz。

完成设置的S参数仿真空间如图3-10所示。

图3-10

（6）这样对晶体管进行S参数扫描的电路就完成了，单击工具栏中的Simulate执行仿真，并等待仿真结束。

（7）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，由于使用的是仿真模板，需要的仿真结果已经出现在窗口中，途中的史密斯圆图中就是BJT模型的S11参数和S22参数，它们分别表示了BJT的输入端口反射系数和输出端口反射系数。

（8）再次观察数据显示窗口，图3-11中列出了BJT模型的S21参数和S12参数，它们分别表示了BJT的正向和反向的功率传输参数。

图3-11

（9）接着在数据显示窗口中插入一个关于S11的数据列表，这样就可以观察在每个频率处的S11参数的幅度和相位值了。

（10）双击原理图中的S参数仿真控制器，选中其中的CalculateNoise选项，单击OK后，再次执行仿真。

（11）仿真结束后，在数据显示窗口中插入一个关于nf

（2）的矩形图，如下图3-12。

这样就完成了对BJT模型的S参数的扫描，这些数据对后面使用这个元件进行低噪声放大器的设计很有帮助。

图3-12

3.3SP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。

下面将首先设计BJT的S参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125在2GHz处的输入，输出匹配。

3.3.1构建原理图

首先对SP模型仿真的原理图进行构建，具体过程如下：

（1）在工程中新建一个原理图文件，命名为spmod_LNA，在SchematicDesignTemples中不选择模板。

（2）单击OK后，新的原理图生成，并在原理图中插入仿真需要的电路元件和控件。

（3）在ComponentLibraryList中选择BJT的S参数模型sp_hp_AT-41511_2_19950125并插入到原理图中。

（4）在Simulation-S_Param在元件面板中选择两个终端负载元件Term1，Term2并插入到原理图中。

（5）单击工具栏中的GROUND按钮，在原理图中擦汗如两个地线。

图3-13

（6）按照上图3-13的方式，将上面的元件连接起来。

（7）在Simulation-S_param元件面板中选择输入阻抗测量空间Zin，并插入到原理图中。

（8）在原理图中插入一个S参数仿真控件，它的参数设置与前面晶体管的S参数扫描相同，这样就完成了仿真原理图搭建。

如图3-14所示。

图3-14

3.3.2SP模型仿真

下面对刚刚搭建的原理图进行仿真，仿真的过程如下：

（1）单击工具栏中的Simulate按钮进行仿真，并等待仿真结束。

（2）仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，在窗口中插入一个关于输入阻抗Zin1的数据列表。

（3）单击工具栏中的数据列表Scrolldataonepagetowardtheend，将数据列表中的数据滚动到freq=2.000GHz处，可以观察到此时SP模型的输入阻抗为20.083/19.829，这种幅度/相位的表示方式并不容易观察和计算，图表3-15。

表3-15

（4）双击数据列表，在弹出的PlotTraces&Attributes窗口中双击Zin1，系统弹出TracesOptions。

（5）将窗口中的Complex