低噪放设计.doc

低噪声放大器 设计报告学生姓名：李江江 学 号：201221040234 单位：物理电子学院 一、 技术指标：频率：5.25 GHz5.55 GHz 噪声系数：小于0.5 dB (纯电路噪声系数不考虑连接损耗) 增益：大于20dB 增益平坦度：每 10MHZ带内小于0.1dB 输入输出驻波比：小于2.0 输入输出阻抗：50二、 理论分析低噪声放大器(LNA)在接收机系统中处于前端,主要作用是放大接收到的微弱信号,降低噪声干扰。LNA的设计对整个接收机性能至关重要,其噪声系数(NF)直接反映接收机的灵敏度。随着通讯、雷达技术的发展,对微波低噪声放大器也提出了更为严格的要求。利用微波电路CAD设计软件,结合可靠的LNA设计理论来进行电路设计，可以避开复杂的理论计算,极大地提高设计准确性和效率，有效缩短研制周期,降低成本。( A D S ) 软 件 是 A g i l e n t 公 司 在H P E E S O F 系列 E D A 软件基础上发展完善的大型综合设计软件，它功能强大，能够提供各种射频微波电路的仿真和优化设计，广泛应用于通信、航天等领域，是射频工程师的得力助手。本文着重介绍如何使用ADS 进行低噪声放大器的仿真与优化设计。LNA的性能指标主要是噪声系数、增益、工作频带、电压驻波比和带内平坦度等，尤其是噪声系数和增益对整机性能影响较大。要实现理想功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗相匹配,这就需要插入匹配网络。放大管存在最佳源阻抗Zsop,t LNA的输入端应按Zsopt进行匹配,此时放大器的噪声系数为最小。而为了获得较高的功率增益和较好的输出驻波比,输出端则采用输出共轭匹配。如果增益不够，则需要采用多级放大电路。原则上前级放大器相对注重噪声系数性能，后级放大器则相对注重增益性能。也就是说，输出端口和级间针对增益最大和平坦度进行匹配电路设计。 LNA低噪声放大器的主要指标如下： 1.工作频率与带宽 2.噪声系数 3.增益 4.放大器的稳定性 5.输入阻抗匹配 6.端口驻波比和反射损耗三、 设计过程：（1）直流分析晶体管S 参数的测量并确定工作点。利用ADS的S参数仿真在所需要的频带内求出低噪管的S参数，并与手册所提供的S参数对比，通过调整栅源电压VGD不断修正S参数最终得到合适的偏置电路。图1 偏置电路图图2 直流扫描综合上述分析，选择晶体管直流设计为VDS=2 V，IDS=10 mA。2 偏置电路设计依据ADS里直流偏置的仿真，取 Id=10mA，Vds=2V，此时 Vgs=-0.35V 左右。这种无源偏置电路容易理解， 不像有源电路那么复杂。 和单电压供电的自偏压电路相比，这种电路要提供双电压。但是由于自偏压电路会引入反馈，这个反馈在稳定工作点的同时也降低了增益，加大了噪声，所以没有采用自偏压电路。偏置电路原理如下图 所示。图3 偏置电路原理图图4 稳定性判断电路原理图3 稳定性的判断 稳定性的判断可以通过K-公式或源端和负载端稳定系数圆来判断，前者通常用来判断放大器是否处于绝对稳定的情况。对于低噪声放大器的第一级，主要性能是以降低噪声系数为目标的，故常处于条件稳定的情形，而设计最大增益放大器时采用双端共轭匹配，这时候射频电路必须处于绝对稳定才能保证复数共轭同时成立。判断稳定性的方法有很多，我们只要选一种就可以了。原理图如图 4 如示，ADS仿真的结果中的表格可以看出 K0，所以放大器是不稳定的。图5 ADS仿真结果在源极添加一个小电感，引入负反馈，使放大器工作在稳定区。最后替换为一节微带线。图6 源极添加一个小电感后的电路图图7 替换为微带后的电路图图8 最终仿真结果图9 稳定后的电路图4 匹配设计设计匹配网络的方法很多，有图解法，计算机辅助设计法等。ADS 提供了多种方便快捷的匹配网络设计工具，如无源电路的smith圆图、集总参数元件、微带双枝节等多种智能元件，本文利用ADS的微带单枝节综合工具很清晰方便的实现自动匹配网络设计。利用ADS 所提供的这种智能 元件进行阻抗匹配设计，最后自动生成子网络。 使用史密斯圆图工具经过调整后达到匹配。由于匹配电路的拓扑结构多样，应选择一种简单且便于实际工程设计的网络结构，本文采用由微带单枝节元件构成的网络，如下图所示为自动生成的一种匹配电路拓扑结构，从中可以观察其反射系数在工作频带的频率响应曲线，所生成的放大器输出子网络，可以直接添加或复制到原理图中。图10 匹配电路拓扑结构单级优化在5.25 GHz到5.55 GHz的频段上，输入输出驻波比小于2，增益在10dB到14dB之间，噪声系数nf（2）小于0.8dB，稳定系数Mu1大于1.（选取射频介质基板的参数为：介电常数r=2.2,基板厚度H=0.508 mm。）图11 S21 S11图两级级联优化为了进一步改善低噪声放大器的增益、增益平坦度及稳定性，可以采用多级放大器级联的形式满足需求。本文所选择的低噪管具有很低的噪声系数和较高的1dB压缩点，在仿真中直接将两级相同的单级放大器通过耦合电容进行耦合，前级采用最佳噪声输入匹配，后级采用双共轭匹配，经过匹配网络调谐和进一步优化后，得到性能更加良好的电路。图12 两级级联优化后的结构图最终结果图13 最终仿真结果曲线图四、 设计结果及存在问题分析：1.了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。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。 2.通过单级和两级放大器的调试和仿真