毕业答辩-P波段低噪声放大器的性能优化设计及版图实现.ppt

P波段低噪声放大器的性能优化设计及版图实现,姓名：学号：班级：电子1102班指导老师：,目录,1,2,3,研究意义,毕业设计要求,设计流程,4,致谢,一、毕业设计要求,1、工作频率范围为0.231GHz2、中心频率为615MHz3、噪声系数NF4dB4、增益为20dB5、端口驻波比VSWR1.6,二、研究意义,低噪声放大器（LNA）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。当今，人们对各种无线通信工具的要求越来越高，如功率辐射要小、作用距离要远、覆盖范围要广等，这就对系统灵敏度提出了更高的要求，而接收机的第一个放大器的噪声对这个系统的灵敏度影响很大。,（一）晶体管的选择（二）直流偏置网络的设计与仿真（三）负反馈网络的设计与仿真（四）输入、输出匹配网络（五）两级低噪声放大器的仿真设计1、衰减网络的设计与仿真2、两级低噪声放大器的仿真3、两级低噪声放大器的版图实现,三、设计流程,（一）晶体管的选择本设计的频率范围是0.231GHz，有770MHz的工作带宽，属于宽带放大器。在综合考虑功率增益、噪声系数、S参数等指标后，我们选择了NXP半导体公司生产的型号为BFU630F的NPNwide-bandsiliconRFtransistor。,（二）直流偏置网络的设计与仿真直流偏置电路的设计目标是为给射频晶体管提供一个适当稳定的静态工作点。良好的偏置电路还可以减少晶体管参数离散性对电路特性的影响。同时，它的选择对驻波比、噪声系数和增益也有比较大的影响。,根据晶体管的数据表，选择晶体管的工作状态为,=2V,=20mA。,其中，=2V.（1）f=5.8GHz（2）f=2.4GHz（3）f=1.8GHz（4）f=1.5GHz,图3-1,为了防止直流通路和交流通路之间的相互影响，要在它们之间加入一些电容电感，以达到扼流的目的，使直流偏置信号能够进入晶体管，驱动其在放大器正常工作，而阻止射频信号进入直流通路，破坏偏置。完整的偏置电路如图3-2所示。,图3-2,仿真可以得到稳定系数、S参数、最小噪声系数、驻波比等。当中心频率f=615MHz时，稳定系数约为3.7，处于绝对稳定的状态。频带内，噪声系数小于3.3dB,满足要求。,图3-3稳定系数,图3-4噪声系数,图3-5驻波比,图3-6S参数,最大增益约为22dB，实际增益约为17.6dB,说明晶体管工作在放大区。此时，驻波比性能较差。,（三）负反馈网络的设计与仿真,由偏置电路仿真结果可知，除了噪声系数和稳定系数，其余参数均不满足要求。负反馈网络可用于平坦晶体管增益，提高器件的稳定性，改善输入输出驻波比，因此，在偏置电路的基础上加入负反馈电路。实际的负反馈电路一般是由串联的电阻、电容接在晶体管的集电极和基极。电路如图3-7所示。,图3-7,通过仿真优化反馈电阻和电容，得到合适的值，最终优化之后，反馈电阻取330，反馈电容取180pF。加入反馈网络之后的稳定系数、S参数、最小噪声系数、驻波比分别如图3-8，3-8，3-10，3-11所示。,图3-8稳定系数,图3-9最小噪声系数,图3-10驻波比,图3-11S参数,加入负反馈之后，带内增益降低并趋于平坦；在整个带宽内稳定系数大于1，满足绝对稳定的条件；噪声系数有所增大，不过影响不大；输入输出信噪比明显下降，并小于2.5，说明负反馈电路改善了输入输出驻波比,但是还不能满足要求。,（四）输入、输出匹配网络,由于直流偏置电路和寄生参数的影响，仍然需要加入适当的输入、输出匹配网络来改善端口驻波比等性能。将输入输出匹配子电路添加到原理图中，如图3-12所示。使用tuning工具调节传输线的长度，仿真之后，可以得到较小的噪声系数和输入反射系数（S11），噪声系数、稳定性、增益、驻波比分别如图3-13，3-14，3-15，3-16所示。,图3-12单级放大电路,图3-13噪声系数图3-14稳定系数,图3-15增益图3-16驻波比,由图3-13可知，噪声系数小于3.6，满足要求；由图3-14可知，稳定系数恒大与1；由图3-15可知，增益平坦度小于3dB,但是增益只有14dB左右，不满足要求;由图3-16可知，输入匹配很好的满足要求，但是是以输出损耗为代价的基础上来实现的。,（五）两级低噪声放大器的仿真设计,单级低噪声放大器的增益不能满足设计要求。当单机放大器不能提供足够的增益时，我们可以将阻抗已经匹配的各级级联起来，不断地将一级的输出与下一级的输入匹配，直到达到需要的增益。综合考虑之后，我们考虑采用级联两个匹配好的单级低噪声放大器来构成两级低噪声放大器。但是由于设计要求的增益是20dB，而两级放大之后，计算增益约为30dB，因此还需要添加一个衰减网络来使增益满足要求。,1、衰减网络的设计与仿真,加入衰减网络是为了降低增益，但是又不能改变输入输出匹配，因此衰减网路的输入阻抗要与系统的输出阻抗端相匹配，输出阻抗与负载相匹配，即输入输出都必须与50相匹配。其衰减网络原理图如图3-17所示。,图3-17衰减网络原理图,它是一个由纯电阻组成的型网络，通过计算得出衰减电路图如图3-18所示。从Term1向右看过去的输入阻抗约为50，从Term2向左看过去的输出阻抗约为50，因此这个网络相当于没有反射，驻波比为1。同时也可以计算出此网络的增益约为-9dB左右。,图3-18衰减电路图,2、两级低噪声放大器的仿真,两级低噪声放大器的增益几乎为单级放大器的两倍；稳定系数依旧大于1；噪声系数几乎没变化，只是稍微有点增大；驻波比与单级相比，稍微有些变大。接下来，加入衰减网络并优化。其原理图和仿真结果1、2、3分别如图3-19，3-20，3-21，3-22所示。,图3-19加入衰减网络的两级低噪声放大器,图3-20加入衰减网络的电路仿真结果1,图3-21加入衰减网络的电路仿真结果2,图3-22加入衰减网络的电路仿真结果3,分析仿真结果，在中心频率615MHz时，增益约为20dB，噪声系数约小于3.4dB,稳定系数远远大于1；带内，驻波比小于1.5，增益平坦度小于6dB。噪声系数小于4dB，稳定系数大于20，满足绝对稳定。,3、两级低噪声放大器的版图实现,反馈电阻使用的是0402封装的，反馈电容和偏置电阻使用的是0603封装的。画好BFU630F晶体管等的封装之后，在原理图中导入各个元器件的封装。将电源、输入输出端口全部改为port，生成版图，手动布局和画线，在调整时分立器件之间的距离要越小越好。同时接地要方便。版图如图3-23，加入原器件之后如图3-24，仿真结果分别如图3-25，3-26，3-27。,图3-23版图设计,图3-24版图-原理图,图3-25噪声系数和稳定系数,图3-2