低噪声放大器的设计-射频课程设计

1、South China University of Technology射频设计报告低噪声放大器的设计目录1 前言 1.2 低噪声放大器的主要技术指标 2.2.1 工作频率与带宽 2.2.2 噪声系数 2.2.3 增益 2.2.4 放大器的稳定性 3.2.5 输入阻抗匹配 3.2.6 端口驻波比和反射损耗 4.3 低噪声放大器的设计指标 5.4 设计方案 6.4.1 直流分析及偏置电路的设计 6.4.2 稳定性分析 9.4.3 匹配网络设计 1.04.4 最大增益的输出匹配 1.34.5 匹配网络的实现 1.74.6 版图的设计 1.85. 学习心得 2.5.参考文献 2.6./、八1 前言低

2、噪声放大器（low noise amplifier, LNA是射频接收机前端的重要组成部分。 它的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号， 足够高的增益克服后续各级 （如混频器 ）的噪声，并尽可能少地降低附加噪声的干扰，以供系统解调处所需要 的信息。LNA 一般通过传输线直接和天线或天线滤波器相连，由于处于接收机的 最前端，其抑制噪声的能力直接关系到整个接收系统的性能。因此 LNA 的指标 越来越严格， 不仅要求有足够小的低噪声系数， 还要求足够高的功率增益， 较宽 的带宽，在接收带宽内功率增益平坦度好。该设计利用微波设计领域的ADS 软件，结合低噪声放大器设计理论，利用 S参数设计出结构简

3、单紧凑，性能指标好 的低噪声放大器。低噪声放大器， 它的噪声系数很低。一般用作各类无线电接收机的高频或 中频前置放大器， 以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。 在放大微弱信号的场 合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重， 因此希望减小这种噪声， 以提 高输出的信噪比。安捷伦公司的ATF54143是一种增强型伪高电子迁移率晶体管（E-pHEMT）, 不需要负栅极电压 , 与耗尽型管相比较 , 可以简化排版而且减少零件数 , 该晶体 管最显著的特点是低噪声 , 并具有高增益、高线性度等特性 , 他特别适用于工作 频率范围在450MHz6GHz之间的蜂窝/ PCS/ WCDMA基站、无线本地环路

4、、固 定无线接入和其他高性能应用中的第一阶和第二阶前端低噪声放大器电路中。282低噪声放大器的主要技术指标2.1工作频率与带宽放大器所能允许的工作频率与晶体管的特征频率 Ft有关，由晶体管小信号 模型可知，减小偏置电流的结果是晶体管的特征频率降低。 在集成电路中，增大 晶体管的面积使极间电容增加也降低了特性频率。LNA的带宽不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全 频带内噪声要满足要求，并给出各频点的噪声系数。动态范围的上限是受非线性指标限制， 有时候要求更加严格些，则定义为放 大器非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。2.2噪声系数在电路某一特定点上的信号功率与噪声功率

5、之比，称为信号噪声比，简称信 噪比，用符号Ps/Pn或S/N)表示。放大器噪声系数是指放大器输入端信号噪声功 率比Psi/Pni与输出端信号噪声功率比Pso/Pno得比值。噪声系数的物理含义是： 信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数 就是噪声系数。影响放大器噪声系数的因素有很多，除了选用性能优良的元器件外，电路的拓扑结构是否合理也是非常重要的。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，而与负载阻抗无关。当一个晶体管的源端所接的信号源的阻抗等于它所 要求的最佳信号源阻抗时，由该晶体管构成的放大器的噪声系数最小。实际应用 中放大器的噪声系数可以表示为NFinSout /

6、 N out2.3增益根据线型网络输入、输出端阻抗的匹配情况，有三种放大器增益：工作功率增益 GP(operating power gain)、转换功率增益 GT(transducer power gain)、资 用功率增益 GA（available power gain）。低噪声放大器的增益要适中， 太大会使下级混频器输入太大， 产生失真。 但 为了抑制后面各级的噪声对系统的影响， 其增益又不能太小。 放大器的增益首先 与管子跨导有关， 跨导直接由工作点的电流决定。 其次放大器的增益还与负载有 关。低噪声放大器大都是按照噪声最佳匹配进行设计的。 噪声最佳匹配点并非最 大增益点，以此增益 G

7、要下降。噪声最佳匹配情况下的增益成为相关增益。通 常，相关增益比最大增益大约低 2-4dB。增益平坦度是指功率最大增益与最小增 益之差，它用来描述工作频带内功率增益的起伏 , 常用最高增益与最小增益之 差，即 G（dB表示。2.4 放大器的稳定性放大器必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。 这一点对于射 频电路是非常重要的， 因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的 趋势。考察电压波沿传输线的传输， 可以理解这种振荡现象。 若传输线终端反射 系数r 01，则反射电压的幅度变大（正反馈）并导致不稳定的现象。反之，若 r oi，将导致反射电压波的幅度变小（负反馈）。当放大器的输

8、入和输出端的反射系数的模都小于 1,即in1, rout1时， 不管源阻抗和负载阻抗如何， 网络都是稳定的， 称为绝对稳定； 当输入端或输出 端的反射系数的模大于 1 时，网络是不稳定的， 称为条件稳定。 对条件稳定的放 大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择， 而是有一定的范围， 否则放大器不能 稳定工作。2.5 输入阻抗匹配低噪声放大器与其信号源的匹配是很重要的。放大器与源的匹配有两种方 式：一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配， 二是以获得最大功率传输和最 小反射损耗为目的的共轭匹配。2.6 端口驻波比和反射损耗低噪声放大器主要指标是噪声系数， 所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设 计的，

9、其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。此外， 由于微波场效应晶体或双极性晶体管， 其增益特性大体上都是按每倍频程以 6dB 规律随频率升高而下降， 为了获得工作频带内平坦增益特性， 在输入匹配电路和 输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下， 只能采用低频段失配的方法来压低增 益，以保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。3 低噪声放大器的设计指标下面提出所设计的宽带低噪声放大器需要考虑的指标：(1) 工作频带：2.42.5 GHz。工作频带仅是指功率增益满足平坦度要求的频 带范围，而且还要在全频带内使噪声系数满足要求。(2) 噪声系数：FNiiCiirrei

10、n 1iiAP-GT Pcwb OissirlinrimW側RFEnpJi F*z住Ills:*11Sum CurrrrtmA凋1Chon nd fo-rptrBtjre1弭TiStmix TtupcfGtuiT：tolSD%Th?itid iRcaUlAriux/wtesNetcx1. *0p3raitin of Itrns dovce in gxEasscrtuny one Mth色5 pa用met已s rn码！ caLEse pemament dflBISQC-2. Ass jnnci 3C jiEccnlCundtncir.3. SdurC-t led tenpcrouf SSC De

11、rate eriW/CforTLsi2C4i. Thermal rtniEunc# ntaifuMd ung 1U*t I iqaid MfiWtM5. The device can hndke： t-IDd Bin RF Inptl Pcwr piwapplicili-i section fvi addh:onsl nfarinatkn.KguFE： 1. Typciil l-V Curve% W带二朴軒f以科图4-2 ATF54143电气性能最大限值ATF54143直流偏置的仿真结果如图4-3所示。Cunenl versus Eh己雪 cunes40.B-04K 04-C Power Cc

12、Hnsurripti&n wraus Bibs2-Elfcl-I WCE4AODMl WMTW|m1_ ndepJ arker m 1 To update -dues brlsrtt-VDSUtvicB Powerif ih| i h ml biaspcirTlj3 75DOD17图4-3 ATF54143支流特性图从ATF54143勺数据手册上可以看出噪声和 Vgs和Igs的关系如图4-4所示,从而确定晶体管工作点ATF-54143 Typical Performance Curves770MOO副IMFigure 6. Fmm vs. I虛号 and V(js luned for Max

13、OIP3 and Fmin at 2 GHz.*)Fi pure t. Com w9k I旺 And V1是稳定状态。只有当3个条件都满足时，才能保证放大器是觉得稳定的。新建原理图，添加各种元器件并设置相应参数后，原理图如图4-6所示_ li：-： IL e i甲亠：? 、i晞以術S-Pa ramet er Srnnul siti onI Imiif 旳昨 紬删t aaR4 RvlC-Onm -n2Rrm1Nun： 口 DOfrhM - - -DC_Esw!FT.SRC3 Yflc=V晌 .鉞#侗Step= tSidnfacl- 3ldr*IJE_KUaii*EK_aaki图4-6加入直流扼流

14、和射频扼流的原理图另外，放大器的直流和交流通路之间要添加射频扼流电路，它实质上是一个无源低通电路，式直流偏执信号（低频信号）能传输到晶体管引脚，而晶体管的 射频信号（频率很高，在本设计中是 2,4GHz的传输信号不要进入直流通路）， 实际上一般是一个电感，有时也会加一个旁路电容接地，在这里用扼流电感代替。 同时，直流偏置信号不能传到两端端口，需要加隔直电容。通过仿真，我们可以 得到最大增益和稳定系数 K与频率的关系，如图4-7所示。freq=2.Jr3Q-z g 心 IFd 讳 fl.53一 i 一 c s 1.I-um岸二图4-7最大增益和稳定系数mAfr2 iSOGHr StabFrl=1

15、 DIDflu QK与频率的曲线怙味3忆瓷4.3匹配网络设计匹配网络的设计。在增益15dB的圆上选取尽量靠近最小噪声点的源反射系数作为输入匹配点，这样就获得了最佳噪声系数匹配条件，使放大器满足低噪声116ndep(m 右卜 47GaCncl*!-0 7 z.130 314辭 n=15 996354向pedan轉匸 ZQ* Q43S-jO36&)|的要求的同时又能实现足够的增益mol芒6JWVlC*I iAiDQimAiflpp(rr45 1|ACNeie=Q7M /-1B1.1G0nwn= 15.515354爪|口刖000&壬而：仪143)01,63QimSnn-S-Perameter Sim

16、 i la:ton1砧二心TEE2尹b I YIlZ i| rar- z ais-iKvKC1 丄审常- 雪内祕*“11图4-10加入Smith圆图匹配工具的原理图D1Ta0 I J a -VTl-睜1M坤C5:爲尸卿dm僅的h十 kst - AM Ia.IWWTiWHxD 宙 L - .=n.S-ir ii .亡詔4显霍弄1 y SetEJ-rT -*3 円勺也托R iwnEdit Vjotn CiFOeC -HalpFi）科电!tisL)11*T1jiQCZlMl-12 jibt-童uh： Ct-idiuCLMLlf 审比阖粗;”14戟 EMb 也 tMiiUdil4 irMLL teUv

17、t . D4 1=-SI1FSuLjm2 Hl.vEfh.ll OLiEIfef.-rc-rte heHiE-=L- :k f biifcs- 1 *!：? fine-? L-:k Lfldl Iff s ! FikiLixZ.DlTTTZJ-a-n-百13.J.1T3MU :&岛DlIEQIJMl丿肺幻 soO L-rodi 二 ；!匸71#l Th* I Tll Ct-ljarihl.H 卿常 k1m Fg4.la v#ibAiT Ljw KA Lh 4AarlZfi21* 1J.图4-14在数据窗口中打开 Zin控件kA( Data Diplay/Llntitled 14* 扫“扌匕 1

18、 14LAN_e ch ani-o.1 iFiW Fdit We InsertMarker History Optionf TookWindowX乡亡普応专即气0 jHlp癞2 b聲翌翌區ifS4234觀EQo1 1AmHFrE?qp2 45OGHx roQli：Ziin2 =t.l34Q口占It忙居欢n2jfi3.Crjn G*-m2freq-2 4ftK3Hz irrogczinzr 3L;7rJFlk_图4-15输出阻抗的曲线从图中可以看出，输出阻抗为57.134-j37.291Ohm （即卩S22）。为了达到最大增益，输出匹配电路需要把 50Ohm匹配到Zin2的共轭，如图4-16所示

19、图4-16输出输出匹配框图使用DA_SmithCHartMatch工具来做输出端匹配电路，如图 4-17所示:滸5屮*Ho b- C - -臥 rnJF1L i3jkr 內叱上CETiWnt E4 -TtDUMra=Mfli=5nM- a A04C图4-17用DA_SmithCHartMatch工具来做输出匹配双击 DA_SmithCHartMatch控件，在弹出的 Smith Char Marching Network 对话框中设置相关参数如图4-18所示。图 4-18 设置 Smith Char Marching 参数，在弹出的对话框中选择ulility 窗口中单击在执行菜单命令Desig

20、 nguideamplifjierSmith chart ulility 。在 Smith chartJiEint Scutci/Ldic Vtlrark Tnniiidcm.I1。如图4-19所示图 4-19 加了输出阻抗的 smith chart ulility然后单击Build AIlS Cireui t按钮，生成电路。在原理图中开始仿真，其结果如图4-20所示m7如 1 11h7ieo=3 450GHz王區岂迪虫竺口milttq-2 4eOGHz d&S(2ln-15 8831 1 IS 训OSfaq-2 46OGH2dBiS(2.2?)=-18：图4-22 S参数仿真结果4.6版图的

21、设计在原理图设计时，低噪声放大器电路的分离电容和分离电感采用的是Murata公司提供的库，在layout界面里同样可以看到这个 Murata库，这里面就不再是 电容电感的电路符号，而是封装图，如图4-23所示。File Edit Select Vieift1 Insert Oplicjns lb oil Scherndlic EM VSfindcw DeiyirvGuiid?DHHA 4 1*0 HI X *9Web：LjQPl5ro吉 血命、|耳 z； “皿h曲刁财时円M M 4孑CRM4Jc匚卄 T卜LLL16CRM3ILLR96mrLSelect Enter the starting p

22、c 0 items+与卜 eftM42* Il yp 卜0231力卜LLL15昭丨口卜4nrrrL.LQgHW L們闍rv-： lie. 40.0000. 120.000015.0000. -90.DCO0图4-23 Murata自带封装对于电阻，可以使用 ADS库里自带的分立器件的封装，也可以自己绘制，Avago公司提供的ATF54143晶体管也没有提供ADS软件使用的layout封装， 接下来将介绍如何绘制ATF54143版图。查询ATF54143的数据手册可知，ATF54143为表面安装器件，具体形状如图4-24所示。Surface Mourn Pckig*501*343Pin C0nn

23、4EtiMi& and Package Md rkingHMJRCE4TE图4-24ATF54143表面安装器件外形图ATF54143封装的外形尺寸如图4-25所示Package DimensionsCutlifll 43SOT-343 (SC704dead)C TYP示。SYMBOLDIMENSIONSMM.MAX.A1M (9.01Al0 0OJO (0 004)b0.25(o.oiqo.35 ro.ouiC0 JO (O.KM)0 20 血DO 8)D1.90 (0.075)2.10 (0.M3)Ei.04 (0.0環 12.20 (O.07)e（a.（k22）G-GS (0 025)h

24、0.450 TVP (0.010)E11J5 (D.tUS)1 35 (0.003)LOJO (O ODd)a.35 10 011)0QIQ图4-25ATF54143封装的外形尺寸接下来介绍版图的绘制过程。（1）在 ADS里新建 layout，命名为 ATF54143_Pad_layout（2） 在layout的cond层中绘制如图4-24所示的焊盘，其结果如图2-26所图 4-26ATF54143 cond 层的焊盘(3)在lead层中绘制和如图4-26 一样的矩形，如图4-27所示图 4-27 ATF54143 leacg(4)在package层中绘制ATF54143的表面装配的封装，如图

25、4-28所示ATF5414j_PcdJdyout rATF5-*1437_LANj；L.ATF54L43_Pfl.d_ld7UuLJdyutl T (LaFile- Edrt Select View Jnsert OptionTools Schematic EM Window Desiqn Guide Non-L? 5 tnl A *1) HO X *9UmciK.i t JMicn Li rta -urw m o_bondp fid w o* 士 Hr巧 e pa.cka.gAE : draw可抵酹画b 0 9临蠅屣堺野划廿謠芳IS閱时时财阿Select： Erter the- starti

26、ng point0 items图 4-28ATF54143版图(5) 设置ATF54143的栅极，源极和漏极，最终晶体管版图如图4-29所示门 AT3TFS4)4r?_l 心Wb：AT二4上二_口口工1円2山：4$口划File Edit Select View Insert Optic ni tools Sclhiematic： EMl Window DcsignGuide Non-L3 is cj a 0*0 0*00 x 刁 e _21 号疤i 4Ki t N*n_Lioir：mo bo-rtdpad* O* 士 1111 高、1 = PWca；dj awi it卿I雄X狂莉FT謠出昭BS H H H图 4-29 ATF54143版图(6) 执行菜单命令 schematic gen erate/upgrade，生成原理图并将整个文件保存。(7) 打开低噪声放大电路的原理图，在原理图窗口单击鼠标右键，从弹出的菜单中选择 component edit component artwork 命令，弹出 component artwork对话框，在artwork type下拉列表中选择fixed选项，在artwork name中选择刚才创建的ATF54143勺封装版图文件，如图4-30所示C*| Viewk- 口严_： h rrwt ；1 ip) TwrcmI日仲LftOpit