您的位置:新闻>>详细信息

低噪声放大器仿真设计实验

发布时间:2014-07-01

 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,减少噪声干扰,以供系统解调出所需的信息数据。现在,人们对各种无线通信工具的要求也越来越高,如功率辐射要小、作用距离要远、覆盖范围要广等,这就对系统接收灵敏度提出了更高的要求,而解决方法之一就是设计低噪声放大器。这不仅对整个接收系统很重要,也是提高灵敏度的关键手段之一。

 

实验内容
  利用ADS2009完成低噪声放大器的设计与仿真,并对其参数进行优化设计;学习低噪声放大器中放大管的选择、I/O匹配电路的设计优化、性能指标的分析;熟悉掌握频率范围、增益、噪声系数以及动态范围等概念。
(a)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,此次实验中选用的是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。在元件库中加入上述SP模型的晶体管,并连接电路如图1所示。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。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,晶体管的输入匹配和增益等指标都不好,在数据输出窗口观察输入阻抗由列表中可得到2GHz点的输入阻抗实/虚部形式为18.89+j*6.81。


(b)输入、输出匹配设计。在对封装模型进行仿真设计前,通过预先对sp模型进行输入输出匹配仿真,可以获得电路的大概指标。在这里,我们使用ADS的综合工具,采用单分支微带线结构综合出输入匹配网络。综合完毕后,即可生成适合的输入匹配网络,整体原理图和仿真结果如图2左半部分所示。由以上的仿真结果可见,电路基本上已经达到了良好的输入匹配、较高的增益、稳定系数和噪声系数都比较好。然而,输出匹配还不太好,电路的增益也可能进一步的提高。对于输出匹配网络,也使用单分支微带线的结构进行设计。此时,我们采用优化微带线长度的方法,对匹配网络进行优化设计,如图2右半部分所示。经过一次随机优化后,S22有了很大的改善,但同时S11恶化了。通过添加输入匹配网络优化参数和目标、反复调整优化方法、优化目标中的权重,还可以对输入匹配网络进行优化,最终得到合适的结果。

(c)整体原理图优化设计。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。整体放大器的原理图和优化后的各参数如图3所示。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S11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,可根据需要增加一些优化变量。

功能效果
本次虚拟仿真实验我们学习了如何设计和分析一个低噪声放大器。在实验过程中,我们学习了晶体管S参数的扫描、输入输出匹配网络的设计优化等。最后通过整体优化设计,设计和仿真了该低噪声放大器的回波损耗、增益曲线、噪声系数、稳定性系数等。


实验视频