基于ADS的低噪放大器设计讲解

1、xxx 研究生射频电路课程报告 基于 ADS 的低噪放大器设计 学生： xxx 学号： xxx 指导教师： xxx 专 业：电子与通信工程 Xxxxxx 二 O 一三年十一月 目录 目 录 1 1 引言 2 1.1 低噪声放大器设计理论 2 1.2 低噪声放大器设计步骤 2 1.3 本次设计主要性能指标 2 1.4 小结 3 2 低噪声放大器设计 4 2.1 晶体管的选择和下载 4 2.2 直流分析 4 2.3 偏置电路的设计 5 2.4 稳定性分析 6 2.5 噪声系数圆和输入匹配 8 2.6 最大增益的输出匹配 12 2.7 匹配网络的实现 14 2.8 原理图仿真 15 2.9 小结 1

2、5 1 引言 1.1 低噪声放大器设计理论 低噪声放大器的设计目标就是在选择适当的晶体管后，通过设计合适的输入 输出匹配网络来达到极低的噪声系数的同时获得一定的增益， 通常在设计中采用 折中的方案来达到设计要求。在 LNA 的设计中，需要考虑的最重要的几个因素 如下： 放大器的稳定性：设计射频放大器时，必须优先考虑电路稳定性。稳定性是 指放大器抑制环境变化维持正常工作特性的能力。在设计中，绝对稳定系数 K 必须大于 1，放大器才能达到绝对稳定。 放大器的功率增益：对输入信号进行放大是放大器最重要的任务，因此在放 大器的设计中增益指标的完成很是重要， 而我们通常所说的增益主要指转换功率 增益 G

3、。 放大器输入输出驻波比：驻波比反映了信源与晶体管及晶体管与负载之间的 失配程度，所以设计时要求驻波比要保持在特定指标之下。 放大器的噪声：对放大器来说，噪声的存在对整个设计有重要影响，在低噪 声的前提下对信号进行放大是对放大器的基本要求。 1.2 低噪声放大器设计步骤 晶体管的选择、下载与安装； 直流分析； 偏置电路设计； 稳定性分析； 噪声系数圆和输入匹配； 匹配网络的实现； 原理图仿真。 1.3 本次设计主要性能指标 中心频率 fo=5.8GHz ； 带宽 B=300MHz ； 增益 G=15dB； 噪声系数 Nf 小于等于 3dB； Zin=Zout =50。 1.4 小结 本次对低噪

4、声放大器的设计， 使用 Agilent 公司的高级设计软件 ADS2009 仿 真，首先确定了 ATF35176晶体管的静态工作点，得到晶体管 ATF35176 在直流 偏置情况下的小信号电路的模型，然后设计了一个在中心频率为 5.8GHz 满足指 标要求的低噪声放大器。 2 低噪声放大器设计 2.1 晶体管的选择和下载 低噪声放大器的性能取决于有源器件的噪声特性和匹配网络的设计。 HP 公 司的 ATF35176是一种低噪声砷化镓 PHEMT 器件，在理想的工作点下，在 12GHz 以下噪声系数为 0.75 dB以下，是一款适用于工作在 218 GHz的低噪声放大器， 所以本设计选择了此种晶

5、体管。另外考虑放大器的增益指标，由于 ATF35176 单 级增益可以达到为 18dB，而本设计要求增益达到 15dB，所以只需要单级电路就 可以达到指标。 ADS2009 自带的元器件库里含有 ATF35176元器件模型，不需要下载和安装。 2.2 直流分析 设计第一步是确定晶体管的直流工作点，根据 ATF35176 的 datasheet设置 DC_FET 控件的参数，连接原理图后进行仿真。从 ATF35176 的数据手册可以得 到噪声 Vds和 Ids的关系，从而确定静态工作点。在 6GHz时，当 Vds=3V 且 Ids=20mA 时，此时增益大约为 16dB，能满足设计要求，那么晶体

6、管的直流工作 点就设为 Vds=3V， ds=20mA。 图 2.1 ATF35176 的 datasheet 图 2.2 直流分析原理图 图 2.3 ATF35176 的直流特性 2.3 偏置电路的设计 创建一个新的原理图，在原理图中放入 ATF35176 的模型和 DA_FETBias 控 件，选择 Transistor Bias Utility 设置偏置电路的属性。仿真后有三个偏置电路可 以选择。有两个网络里面，晶体管的源极是有电阻的，但通常低噪放大器的设计 中，源级只接反馈电感（微带线） ，所以选用第一个偏置网络。选定网络后，得 到了偏置子电路， 按照子电路画出偏置原理图， 其中偏置子

7、电路中一些电阻值不 是常规标称值，仅是理论计算结果，用相近的常规标称值代替。 图 2.4 偏置电路原理图 图 2.6 完成后的偏置电路原理图 2.4 稳定性分析 1. 进行 S 参数的仿真，添加控件 Term、StabFact、 MaxGain。放大器的直流 和交流之间的通路要添加射频直流电路， 它的实质是一个无源低通电路， 使直流 偏置信号能传输到晶体管引脚， 而晶体管的射频信号不能进入直流通路， 在这里 先用【 DC_Feed】直流电感代替。同时，直流偏置信号不能传到两端的 Term， 需加隔直电容，【DC_Block 】隔直电容代替。 图 2.7 加入理想直流扼流和射频扼流的原理图 图

8、2.8 最大增益和稳定系数曲线 仿真结束后，显示 MaxGain1 和 Stabfact1两个图表中观察，从图 2.8 我们可 以看出，在 5.8GHz 时，最大增益为 18.042dB，稳定系数为 K=0.646，绝对稳定 系数 K 1，说明电路不稳定。 2. 当电路不稳定时， 可以采用负反馈电路形式解决问题， 提高绝对稳定系数。 本次设计中 在漏极添加串联电感作为负反馈。 通过反复调节反馈电路， 也就是串 联电感的数值，使其在整个工作频率范围内稳定。 图 2.9 晶体管源级添加负反馈后的原理图 图 2.10 最大增益和稳定系数曲线 3. 接下来把理想的 DC_Feed、 DC_Block

9、和源极的两个电感改成实际的器件 和微带线。本设计选用 MuRata（日本村田公司 ）的电感和电容。 本设计中电源部分 用了扼流电感 LGQ18 和 GRM18 ，对射频信号进行阻隔和旁路。 然后用给定的电 11 .81L 感值算出等效的传输线的长度（ l = 11.81L ，其中 L是电感值即 0.3nH，ZO 是微 ZO r 带线特征阻抗，得到 l=0.58mm）。全部换成真实器件和微带线后，稳定系数和增 益基本达到要求。 图 2.11 全部换成真实器件后的原理图 图 2.12 最大增益和稳定系数曲线 2.5 噪声系数圆和输入匹配 当最大增益和稳定系数达到指标后， 接下来就要设计一个适当的输

10、入匹配网 络来实现最小噪声系数。先进行仿真，在数据显示窗口面板，输入等式： 图 2.13 输入等式 它们代表的意思分别是返回值是前面定义的 m1的频率，即 5.8GHz；返回噪 图 2.14 circleData和 GaCircle 的史密斯圆图 查看史密斯圆图，选择合适的阻抗值，在设计时，必须在增益和噪声系数之 间做一个权衡，而低噪放大器，首先要考虑最小噪声系数。那么最优的输入端阻 抗就定为 m5点的阻抗(43.15+j*25.60)，通过使用 DA_Smith Chart Match 工具， 对电路进行输入匹配。 图 2.14 加入 DA_Smith Chart Match 工具 图 2.

11、15 设置 DA_Smith Chart Match 参数 工具的阻抗 图 2.16 设置 Smith Chart Utility 图 2.17 Smith Chart Utility微带线匹配 10 图 2.18 匹配子线路 图 2.19 匹配后输入阻抗 图 2.20 Tuning 后仿真结果 1 图 2.21 Tuning 后仿真结果 2 11 2.6 最大增益的输出匹配 输出端的匹配需要此时晶体管的输出端阻抗，插入 Zin 控件，查看输出阻抗 的实部和虚部，得到输出阻抗为 28.109-j*12.593，为了达到最大增益，输出匹 配要 50匹配到 Zin 的共轭。通过使用 DA_Smit

12、h Chart Match 工具，对电路进 行输出匹配。 图 2.22 输出阻抗的曲线 工具的参数 图 2.23 设置 Smith Chart Utility 图 2.24 设置 Smith Chart Utility 工具的输出阻抗 12 图 2.25 Smith Chart Utility微带线匹配 图 2.26 匹配子线路 图 2.27 Tuning 后仿真结果 3 13 图 2.28 Tuning 后仿真结果 4 2.7 匹配网络的实现 理想微带线，其参数只有特性阻抗、电长度和频率，需要换算成实际的标明 物理长度的微带线，使用 ADS 自带的工具 LineCalc，所有微带线的特征阻抗

13、都 是 50。 电长度（ degrees） 特征阻抗（ ohm ） 物理长度（ mm ） TH5 81.437 50 5.9912 TH6 59.237 50 11.678 TH7 75.224 50 6.1036 TH8 54.316 50 22.486 表 2.1 微带线的电长度和物理长度 图 2.29 低噪声放大器的总电路图 14 2.8 原理图仿真 经过以上各部分的设计，将匹配网络添加到低噪放大电路中，得到完整的低 噪放电路，进行仿真。 图 2.30 总仿真结果图 稳定系数矩形图中 StabFact1的曲线可以看出，稳定系数 K 在频率范围内大 于 1 ，说明放大器在频率范围内稳定，满足绝对稳定的要求。 在 nf(2) 的曲线可以看出，低噪声放大器的噪声系数在 4.8GHz-6.8GHz 的范 围内都在 1.2dB以下，满足设计要求中要求的噪声系数小于 3 的指标。 在 S 参数矩形图中可以看出增益系数 S21，在 5.65GHz-5.95GHz 频率范围内， 增益的最小值为 S21min=15.016 dB、最