CH7-ADS有源器件设计仿真与优化1剖析课件

电磁工程设计与仿真第七章ADS有源电路

设计与仿真国防科技大学电子科学与工程学院

柴舜连教授

2014.04电磁工程设计与仿真第七章ADS有源电路

设计与仿真国防科1主要内容7.2微波混频器设计与仿真7.3微波振荡器设计与仿真

（自学）7.1微波放大器设计与仿真主要内容7.2微波混频器设计与仿真7.3微波振荡器设计27.1.1微波放大器设计基础

7.1.2最大增益放大器设计与仿真

7.1.3恒定增益放大器设计与仿真

（简要，仿真实验）

7.1.4低噪声放大器设计与仿真

（简要，仿真实验）7.1微波放大器设计与仿真7.1.1微波放大器设计基础

7.1.2最大增益放大器设37.1.1微波放大器设计基础1.微波三极管

2.输入匹配电路

3.输出匹配电路4.栅极偏置电路

5.漏极偏置电路

6.源/负载阻抗（50Ω）12345667.1.1微波放大器设计基础1.微波三极管

2.输入匹47.1.1微波放大器设计基础一、微波三极管

二、单枝节阻抗匹配基础

三、放大器转换增益与稳定性

四、偏置电路基础7.1.1微波放大器设计基础一、微波三极管

二、单枝节阻抗5一、微波三极管Microwavetransistors:1.Junctiontransistors:bipolarjunctiontransistors(BJTs)heterojunctionbipolartransistors(HBTs)BJT:usuallymadeusingsilicon(Si),frequenciesbelow2–4GHz;highergain;lowercost;biasingwithsinglepowersupply;noisefigurenotasgoodasFETs.HBT:Frequenciesexceeding100GHz;SiGeHBTs:low-costcircuits,60GHzorhigher.一、微波三极管Microwavetransistors:B6MESFET(metalsemiconductorFET)MOSFET(metaloxidesemiconductorFET)HEMT(highelectronmobilitytransistor)PHEMT(pseudomorphicHEMT)GaAsMESFETs&HEMTs:low-noise,60GHzormore.GaNHEMTs:highpowerRFandmicrowaveamplifiers.CMOSFETs:RFintegratedcircuits,highintegration,lowcost,lowpowerrequirementsGaAsMESFET2.Fieldeffecttransistors(FET):MESFET(metalsemiconductorFE7Small-signalequivalentcircuitforamicrowaveMESFETTypicalvalues:NotincludepackageparasiticsgmVc:leadingto|S21|>1Cgd:small,|S12|→0S12=0,unilateral(单向化)Someprovidethedeviceequivalentcircuitsmodels,[S]parametersmaybeobtained.2.Fieldeffecttransistors(FET):Small-signalequivalentcircui82.Fieldeffecttransistors(FET):ScatteringParametersforGaAsMESFET:(NECNE76184A,VDS

=3.0V,ID=10.0mA,commonsource)可见:（1）S12很小，可忽略：单向化设计；（2）S12不忽略：双向化设计。（2）反射很大，必须匹配。2.Fieldeffecttransistors(FE9二、单枝节阻抗匹配基础1.原理结构：两个可调参量：与负载距离d短截线长度l匹配原理：选择d：选择l：解析法确定d,l：圆图法求解：下面讲二、单枝节阻抗匹配基础1.原理结构：匹配原理：选择d：选择102.Smith圆图功能：图形法求解传输线问题，直观，非常有用。“Γ的极坐标图”圆图=等反射系数圆+等电阻圆+等电抗圆2.Smith圆图功能：图形法求解传输线问题，直观，非常有11等反射系数圆0向负载向波源规律：向波源移动→顺时针转向负载移动→逆时针转移动距离→转动移动距离→转动一周Γ极坐标图用途：不同处Γ的换算等反射系数圆0向负载向波源规律：向波源移动→顺时针转移动12阻抗圆图（ImpendanceChart）三个特殊点：匹配点

R=1,X=0Γ=0,ρ=1开路点

R=∞,X=∞Γ=+1,ρ=∞短路点

R=0,X=0Γ=-1,ρ=∞纯电抗两个区：感性区容性区阻抗圆图（ImpendanceChart）三个特殊点：匹配13导纳圆图(Admittancechart)（归一化导纳）B<0，电感区B>0，电容区满足λ/4阻抗变换，阻抗圆图旋转180度得到。构成方法：导纳圆图(Admittancechart)（归一化导纳）B14阻抗导纳圆图(Immittancechart)两套刻度，两个圆图同一点处读值：从阻抗图读阻抗值；从导纳图读导纳值；表示线上同一处的阻抗和导纳。阻抗导纳圆图(Immittancechart)两套刻度，两153.单枝节阻抗匹配实例,设计开路单枝节电路。(1)归一化：(2)用ADSTool>SmithChart设计(3)设置SmithChart：(a)freq=10.5G,Z0=50Ω(b)Imp./Admi.Chart(c)ZL=1.2-j1.6(4)选择Line：lined=39.752°=0.110λgY=1+j1.47(5)选择OpenStub：l=124.191°=0.345λg,Yin=1达到匹配目的。讨论：是否还有其他解？3.单枝节阻抗匹配实例,设计开路单枝节电路。(1)归一化：163.单枝节阻抗匹配实例3.单枝节阻抗匹配实例173.单枝节阻抗匹配实例3.单枝节阻抗匹配实例183.单枝节阻抗匹配实例3.单枝节阻抗匹配实例19三、放大器转换增益与稳定性1.放大器二端口网络转换功率增益：

：负载吸收功率：信号源资用功率

三、放大器转换增益与稳定性1.放大器二端口网络转换功率增益202.放大器转换增益GT2.放大器转换增益GT21当输入阻抗与源阻抗共轭匹配时，源交付给网络最大功率，即源的资用功率:2.放大器转换增益GT当输入阻抗与源阻抗共轭匹配时，源交付给网络最大功率，即源的资22传输到负载的功率：转换功率增益：

2.放大器转换增益GT传输到负载的功率：转换功率增益：2.放大器转换增益GT23讨论2：最大增益：输入输出均共轭匹配，讨论1：单向化，即S12=0，此时Γin=S112.放大器转换增益GT讨论2：最大增益：输入输出均共轭匹配，讨论1：单向化，即S1243.放大器稳定性设计微波放大器时，必须保证它能稳定工作。如果：，就会震荡，不稳定。绝对稳定：对所有负载阻抗和源阻抗，均有条件稳定：对部分负载阻抗和源阻抗，有方法：

μ方法：

绝对稳定绝对稳定3.放大器稳定性设计微波放大器时，必须保证它能稳定工作。绝25四、放大器偏置电路1.偏置电路2.偏置电路原理1234561：隔直电容2：扼流电感3：低阻电容4：滤波电容5：限流电阻6：直流电源（1）高阻线：串联电感（2）低阻线：并联电容（3）高低阻抗线->低通滤波器四、放大器偏置电路1.偏置电路2.偏置电路原理12345267.1.2最大增益微波放大器设计与仿真一、微波三极管建模与稳定性判断

二、最大增益设计

三、输入和输出阻抗匹配设计与仿真

四、微波放大器射频仿真

五、偏置电路仿真（自学）

六、微波放大器整体仿真（自学）7.1.2最大增益微波放大器设计与仿真一、微波三极管建模与277.1.2最大增益微波放大器设计与仿真设计要求：1.频率：10-11G,中心频率10.5GHz2.增益：G≥9.0dB（中频频率处）3.按最大增益设计4.输入输出阻抗：50Ω7.1.2最大增益微波放大器设计与仿真设计要求：28一、微波三极管建模与稳定性判断1.日本富士通Eudyna公司的FLM0910-25F管

一、微波三极管建模与稳定性判断1.日本富士通Eudyna公司292.FLM0910-25F功率管S参数表

数据文件：flm0910-25f.s2p

2.FLM0910-25F功率管S参数表数据文件：flm0303.建立三极管S参数模型

建立工程：AMP_Xband_wrk

建立SCH：AMP_Xband_SP

选择元件库：DataItems选择元件：S2P

Ref=GNDFile=“flm0910-25f.s2p”S参数仿真：3.建立三极管S参数模型建立工程：AMP_Xband_wr313.建立三极管模型

3.建立三极管模型324.稳定性判断

StabFact（K>1）StabMeas（b>0）Mu（μ>1）绝对稳定4.稳定性判断StabFact（K>1）绝对稳定33二、最大增益设计1.最大增益：

二、最大增益设计1.最大增益：34二、最大增益设计2.计算实例：

已知FLM0910-25F在10.5GHz小信号S参数：S11=0.44∠-17.05°，S12=0.06∠-137.92°，S21=2.50∠156.88°，S22=0.33∠-35.26°。计算最大转换增益时输入端/输出端反射系数。二、最大增益设计2.计算实例：已知FLM0910-25F在35三、输入输出阻抗匹配设计1.一般微波放大器结构：

Z0Zs

Γ0ΓsZLZ0ΓLΓ0

三、输入输出阻抗匹配设计1.一般微波放大器结构：Z0362.输入/输出阻抗匹配设计

(1)输入阻抗匹配设计：SmithChart

源端

负载端

结果：l2=46.528°l1=109.047°

(2)输出阻抗匹配设计：SmithChart

源端

负载端

结果：l2=37.959°l1=135.239°

2.输入/输出阻抗匹配设计(1)输入阻抗匹配设计：Smit372.输入/输出阻抗匹配设计

输入阻抗匹配:2.输入/输出阻抗匹配设计输入阻抗匹配:382.输入/输出阻抗匹配设计

输入阻抗匹配:2.输入/输出阻抗匹配设计输入阻抗匹配:393.输入阻抗匹配仿真

结果：L2=46.528°L1=109.047°

(1)新建SCH：AMP_Xband_InMatchSub：er=3.02H=0.508LineCal:L1=5.496mmL2=2.345mmS22=0.447/5.0°为什么有差别？3.输入阻抗匹配仿真结果：L2=46.528°(1)新建S403.输入阻抗匹配仿真

(2)调谐L1,L2：使得S22=ΓsTune:L1=4.985mmL2=2.417mm问题:如果S22幅度偏小或偏大，调哪一个？如果S22相角偏大或偏小，调哪一个？3.输入阻抗匹配仿真(2)调谐L1,L2：使得S22=Γs414.输出阻抗匹配仿真

(1)新建SCH：AMP_Xband_OutMatch；（2）调谐L1,L2结果：l2=37.959°l1=135.239°

Tune:L1=6.305mmL2=1.989mm4.输出阻抗匹配仿真(1)新建SCH：AMP_Xband_42四、微波放大器整体仿真1.新建SCH：AMP_Xband_AllMatch

四、微波放大器整体仿真1.新建SCH：AMP_Xband_A43四、微波放大器整体仿真2.结果

四、微波放大器整体仿真2.结果447.1.3恒定增益放大器设计与仿真（简要）1.等增益圆

单向化设计：当，Gs最大当，GL最大源失配增益圆：当0≤Gs≤Gsmax取某等值时，Γs轨迹。负载失配增益圆：当0≤GL≤GLmax取某等值时，ΓL轨迹。7.1.3恒定增益放大器设计与仿真（简要）1.等增益圆单451.等增益圆

1.等增益圆462.恒定增益设计方法

工程更可取设计：增益小于最大增益，增加带宽。工程方法：通过故意引入失配而减少总增益。Γs:Gs=0.53圆与射线O-S11*交点ΓL:GL=0.3圆与射线O-S22*交点2.恒定增益设计方法工程更可取设计：增益小于最大增益，增加47Γs=0.165<16.195°；3.恒定增益设计结果ΓL=0.128<-40.468°；Γs=0.165<16.195°；3.恒定增益设计结果ΓL=483.恒定增益设计结果恒定增益Gconst=8.80dB<最大增益Gmax=9.48dB;通过失配获得恒定增益，|S11|,|S22|在-5dB~-15dB之间。3.恒定增益设计结果恒定增益Gconst=8.80dB<493.恒定增益设计结果恒定增益曲线平坦，带宽宽；最大增益曲线尖锐，带宽窄;牺牲最大增益来获得更宽带宽。最大增益曲线恒定增益曲线3.恒定增益设计结果恒定增益曲线平坦，带宽宽；最大增益曲线恒507.1.4低噪声放大器设计与仿真（简要）1.等噪声系数圆

二端口放大器的噪声性能表示为：

由生产厂家提供或测量得到。

：最小噪声系数。

：最小噪声系数时最佳源反射系数。

：晶体管等效噪声电阻。

等噪声系数圆：给定某一F，Γs的轨迹为一个圆。7.1.4低噪声放大器设计与仿真（简要）1.等噪声系数圆512.LNA设计方法

(1)Γs确定：

结论：Fn圆与Gs源切点

原则：满足F=Fn=2.0;Gs尽可能大损失增益获得Fn(2)ΓL确定：

结论：

ΓL共轭匹配原则：GL尽可能大；2.LNA设计方法(1)Γs确定：结论：原则：(2)ΓL52电磁工程设计与仿真第七章ADS有源电路

设计与仿真国防科技大学电子科学与工程学院

柴舜连教授

2014.04电磁工程设计与仿真第七章ADS有源电路

设计与仿真国防科53主要内容7.2微波混频器设计与仿真7.3微波振荡器设计与仿真

（自学）7.1微波放大器设计与仿真主要内容7.2微波混频器设计与仿真7.3微波振荡器设计547.1.1微波放大器设计基础

7.1.2最大增益放大器设计与仿真

7.1.3恒定增益放大器设计与仿真

（简要，仿真实验）

7.1.4低噪声放大器设计与仿真

（简要，仿真实验）7.1微波放大器设计与仿真7.1.1微波放大器设计基础

7.1.2最大增益放大器设557.1.1微波放大器设计基础1.微波三极管

2.输入匹配电路

3.输出匹配电路4.栅极偏置电路

5.漏极偏置电路

6.源/负载阻抗（50Ω）12345667.1.1微波放大器设计基础1.微波三极管

2.输入匹567.1.1微波放大器设计基础一、微波三极管

二、单枝节阻抗匹配基础

三、放大器转换增益与稳定性

四、偏置电路基础7.1.1微波放大器设计基础一、微波三极管

二、单枝节阻抗57一、微波三极管Microwavetransistors:1.Junctiontransistors:bipolarjunctiontransistors(BJTs)heterojunctionbipolartransistors(HBTs)BJT:usuallymadeusingsilicon(Si),frequenciesbelow2–4GHz;highergain;lowercost;biasingwithsinglepowersupply;noisefigurenotasgoodasFETs.HBT:Frequenciesexceeding100GHz;SiGeHBTs:low-costcircuits,60GHzorhigher.一、微波三极管Microwavetransistors:B58MESFET(metalsemiconductorFET)MOSFET(metaloxidesemiconductorFET)HEMT(highelectronmobilitytransistor)PHEMT(pseudomorphicHEMT)GaAsMESFETs&HEMTs:low-noise,60GHzormore.GaNHEMTs:highpowerRFandmicrowaveamplifiers.CMOSFETs:RFintegratedcircuits,highintegration,lowcost,lowpowerrequirementsGaAsMESFET2.Fieldeffecttransistors(FET):MESFET(metalsemiconductorFE59Small-signalequivalentcircuitforamicrowaveMESFETTypicalvalues:NotincludepackageparasiticsgmVc:leadingto|S21|>1Cgd:small,|S12|→0S12=0,unilateral(单向化)Someprovidethedeviceequivalentcircuitsmodels,[S]parametersmaybeobtained.2.Fieldeffecttransistors(FET):Small-signalequivalentcircui602.Fieldeffecttransistors(FET):ScatteringParametersforGaAsMESFET:(NECNE76184A,VDS

=3.0V,ID=10.0mA,commonsource)可见:（1）S12很小，可忽略：单向化设计；（2）S12不忽略：双向化设计。（2）反射很大，必须匹配。2.Fieldeffecttransistors(FE61二、单枝节阻抗匹配基础1.原理结构：两个可调参量：与负载距离d短截线长度l匹配原理：选择d：选择l：解析法确定d,l：圆图法求解：下面讲二、单枝节阻抗匹配基础1.原理结构：匹配原理：选择d：选择622.Smith圆图功能：图形法求解传输线问题，直观，非常有用。“Γ的极坐标图”圆图=等反射系数圆+等电阻圆+等电抗圆2.Smith圆图功能：图形法求解传输线问题，直观，非常有63等反射系数圆0向负载向波源规律：向波源移动→顺时针转向负载移动→逆时针转移动距离→转动移动距离→转动一周Γ极坐标图用途：不同处Γ的换算等反射系数圆0向负载向波源规律：向波源移动→顺时针转移动64阻抗圆图（ImpendanceChart）三个特殊点：匹配点

R=1,X=0Γ=0,ρ=1开路点

R=∞,X=∞Γ=+1,ρ=∞短路点

R=0,X=0Γ=-1,ρ=∞纯电抗两个区：感性区容性区阻抗圆图（ImpendanceChart）三个特殊点：匹配65导纳圆图(Admittancechart)（归一化导纳）B<0，电感区B>0，电容区满足λ/4阻抗变换，阻抗圆图旋转180度得到。构成方法：导纳圆图(Admittancechart)（归一化导纳）B66阻抗导纳圆图(Immittancechart)两套刻度，两个圆图同一点处读值：从阻抗图读阻抗值；从导纳图读导纳值；表示线上同一处的阻抗和导纳。阻抗导纳圆图(Immittancechart)两套刻度，两673.单枝节阻抗匹配实例,设计开路单枝节电路。(1)归一化：(2)用ADSTool>SmithChart设计(3)设置SmithChart：(a)freq=10.5G,Z0=50Ω(b)Imp./Admi.Chart(c)ZL=1.2-j1.6(4)选择Line：lined=39.752°=0.110λgY=1+j1.47(5)选择OpenStub：l=124.191°=0.345λg,Yin=1达到匹配目的。讨论：是否还有其他解？3.单枝节阻抗匹配实例,设计开路单枝节电路。(1)归一化：683.单枝节阻抗匹配实例3.单枝节阻抗匹配实例693.单枝节阻抗匹配实例3.单枝节阻抗匹配实例703.单枝节阻抗匹配实例3.单枝节阻抗匹配实例71三、放大器转换增益与稳定性1.放大器二端口网络转换功率增益：

：负载吸收功率：信号源资用功率

三、放大器转换增益与稳定性1.放大器二端口网络转换功率增益722.放大器转换增益GT2.放大器转换增益GT73当输入阻抗与源阻抗共轭匹配时，源交付给网络最大功率，即源的资用功率:2.放大器转换增益GT当输入阻抗与源阻抗共轭匹配时，源交付给网络最大功率，即源的资74传输到负载的功率：转换功率增益：

2.放大器转换增益GT传输到负载的功率：转换功率增益：2.放大器转换增益GT75讨论2：最大增益：输入输出均共轭匹配，讨论1：单向化，即S12=0，此时Γin=S112.放大器转换增益GT讨论2：最大增益：输入输出均共轭匹配，讨论1：单向化，即S1763.放大器稳定性设计微波放大器时，必须保证它能稳定工作。如果：，就会震荡，不稳定。绝对稳定：对所有负载阻抗和源阻抗，均有条件稳定：对部分负载阻抗和源阻抗，有方法：

μ方法：

绝对稳定绝对稳定3.放大器稳定性设计微波放大器时，必须保证它能稳定工作。绝77四、放大器偏置电路1.偏置电路2.偏置电路原理1234561：隔直电容2：扼流电感3：低阻电容4：滤波电容5：限流电阻6：直流电源（1）高阻线：串联电感（2）低阻线：并联电容（3）高低阻抗线->低通滤波器四、放大器偏置电路1.偏置电路2.偏置电路原理12345787.1.2最大增益微波放大器设计与仿真一、微波三极管建模与稳定性判断

二、最大增益设计

三、输入和输出阻抗匹配设计与仿真

四、微波放大器射频仿真

五、偏置电路仿真（自学）

六、微波放大器整体仿真（自学）7.1.2最大增益微波放大器设计与仿真一、微波三极管建模与797.1.2最大增益微波放大器设计与仿真设计要求：1.频率：10-11G,中心频率10.5GHz2.增益：G≥9.0dB（中频频率处）3.按最大增益设计4.输入输出阻抗：50Ω7.1.2最大增益微波放大器设计与仿真设计要求：80一、微波三极管建模与稳定性判断1.日本富士通Eudyna公司的FLM0910-25F管

一、微波三极管建模与稳定性判断1.日本富士通Eudyna公司812.FLM0910-25F功率管S参数表

数据文件：flm0910-25f.s2p

2.FLM0910-25F功率管S参数表数据文件：flm0823.建立三极管S参数模型

建立工程：AMP_Xband_wrk

建立SCH：AMP_Xband_SP

选择元件库：DataItems选择元件：S2P

Ref=GNDFile=“flm0910-25f.s2p”S参数仿真：3.建立三极管S参数模型建立工程：AMP_Xband_wr833.建立三极管模型

3.建立三极管模型844.稳定性判断

StabFact（K>1）StabMeas（b>0）Mu（μ>1）绝对稳定4.稳定性判断StabFact（K>1）绝对稳定85二、最大增益设计1.最大增益：

二、最大增益设计1.最大增益：86二、最大增益设计2.计算实例：

已知FLM0910-25F在10.5GHz小信号S参数：S11=0.44∠-17.05°，S12=0.06∠-137.92°，S21=2.50∠156.88°，S22=0.33∠-35.26°。计算最大转换增益时输入端/输出端反射系数。二、最大增益设计2.计算实例：已知FLM0910-25F在87三、输入输出阻抗匹配设计1.一般微波放大器结构：

Z0Zs

Γ0ΓsZLZ0ΓLΓ0

三、输入输出阻抗匹配设计1.一般微波放大器结构：Z0882.输入/输出阻抗匹配设计

(1)输入阻抗匹配设计：SmithChart

源端

负载端

结果：l2=46.528°l1=109.047°

(2)输出阻抗匹配设计：SmithChart

源端

负载端

结果：l2=37.959°l1=135.239°

2.输入/输出阻抗匹配设计(1)输入阻抗匹配设计：Smit892.输入/输出阻抗匹配设计

输入阻抗匹配:2.输入/输出阻抗匹配设计输入阻抗匹配:902.输入/输出阻抗匹配设计

输入阻抗匹配:2.输入/输出阻抗匹配设计输入阻抗匹配:913.输入阻抗匹配仿真

结果：L2=46.528°L1=109.047°

(1)新建SCH：AMP_Xband_InMatchSub：er=3.02H=0.508LineCal:L1=5.496mmL2=2.345mmS22=0.447/5.0°为什么有差别？3.输入阻抗匹配仿真结果：L2=46.528°(1)新建S923.输入阻抗匹配仿真

(2)调谐L1,L2：使得S22=ΓsTun