基于ADS低噪放大器设计

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一三年十一月O二目录目录11引言21.1 低噪声放大器设计理论21.2 低噪声放大器设计步骤21.3 本次设计主要性能指标21.4 小结32低噪声放大器设计42.1 晶体管的选择和下载42.2 直流分析42.3 偏置电路的设计52.4 稳定性分析62.5 噪声系数圆和输入匹配82.6 最大增益的输出匹配122.7 匹配网络的实现142.8 原理图仿真152.9 小结15引言11.1彳氐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,通过设计适宜的输入通

2、常在设计中采用输出匹配网络来到达极低的噪声系数的同时获得一定的增益,的设计中,需要考虑的最重要的几个因素折中的方案来到达设计要求.在LNA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K指放大器抑制环境变化维持正常工作特性的水平.在设计中,绝对稳定系数1,放大器才能到达绝对稳定.必须大于放大器的功率增益：对输入信号进行放大是放大器最重要的任务,因此在放而我们通常所说的增益主要指转换功率大器的设计中增益指标的完成很是重要,Go增益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问的失配程度,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

3、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根本要求.1.2彳氐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央频率fo=5.8GHz;带宽B=300MHz;增益G=15dB;噪声系数Nf小于等于3dB;Zin=Zout=50Q.1.4 小结本次对低噪声放大器的设计,使用Agilent公司的高级设计软件ADS2021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央

4、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是一种低噪声神化钱PHEMT器件,在理想的工作点下,在12GHz以下噪声系数为0.75dB以下,是一款适用于工作在218GHz的低噪声放大器,所以本设计选择了此种晶体管.另外考虑放大器的增益指标,由于ATF35176单级增益可以到达为18dB,而本设计要求增益到达15dB,所以只需要单级电路就可以到达指标.ADS2021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

5、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,那么晶体管的直流工作点就设为Vds=3V,ds=20mA.图2.1ATF35176的datasheet直流分析原理图2.2图.图2.3ATF35176的直流特性2.3 偏置电路的设计创立一个新的原理图,在原理图中放入ATF35176的模型和DA_FETBias控件,选择TransistorBiasUtiHty设置偏置电路

6、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,源级只接反应电感微带线,所以选用第一个偏置网络.选定网络后,得到了偏置子电路,根据子电路画出偏置原理图,其中偏置子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偏置电路原理图偏置子电路2.5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TermsStabFactMaxGain.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

7、,在这里先用【DC_Feedl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.参加理想直流扼流和射频扼流的原理图2.7图yiMiMCiS-dxiEiClnrk.1图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K1,说明电路不稳定.2 .当电路不稳定时,可以采用负反应电路形式解决问题,提升绝对稳定系数.本次设计中在漏极添加用联电感作为负反应.通过反复调节反应电路,也就是串联电感的数值

8、,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应后的原理图最大增益和稳定系数曲线2.10图和源极的两个电感改成实际的器件、DC_Block3.接下来把理想的DC_Feed本设计中电源局部的电感和电容.MuRata和微带线.本设计选用日本村田公司然后用给定的电对射频信号进行阻隔和旁路.LGQ18和GRM18,用了扼流电感11.81L=l,其中L是电感值即0.3nH,Z感值算出等效的传输线的长度是微oZ?o带线特征阻抗,得到l=0.58mm.全部换成真实器件和微带线后,稳定系数和增益根本到达要求.W*swirw图2.11全部换成真实器件后的原理图I-te-.-I.iIjrm*1NL&(

9、if,Wjwvilii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到达指标后,接下来就要设计一个适当的输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：输入等式2.13图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;返回噪声系数圆；返回增益圆.的史密斯圆图和GaCircle图2.14circleData查看史密斯圆图,选择适宜的阻抗值,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*25.60Q),通过使用DA_SmithC

10、hartMatch工具,对电路进行输入匹配.工具DA_SmithChartMatch参加2.14图n?-II*MI-.3tifcFacr-5-=Lir2.W即蝇WHSi4JWfEEM卜力一2-r二图2.15设置DA_SmithChartMatch参数图2.16设置SmithChartUtility工具的阻抗微带线匹配2.17SmithChartUtility图2.18匹配子线路图2.19匹配后输入阻抗.,甲l想i.inH*li；iti,iip.-|iii：ir(1DJjMFriifr.11fkiirpfrflf7Rnre145fl51野jkfiilaqa会变Ird同W四小U151r2/16.口

11、图2.21Tuning后仿真结果22.6 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28.109j*12.593Q,为了到达最大增益,输出匹配要50Q匹配至IZin的共腕.通过使用DA_SmithChartMatch工具,对电路进行输出匹配.图2.22输出阻抗的曲线ui*11&3Bif瞭1一.HIT曾升,图2.23设置SmithChartUtility工具的参数工具的输出阻抗SmithChartUtility设置2.24图图2.25SmithChartUtility微带线匹配图2.26匹配子线路图2.27Tuning后仿真

12、结果3OXQpipnZi=BCClhiASJGreXfW!re管书.,ik,4图2.28Tuning后仿真结果匹配网络的实现2.7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,所有微带线的特征阻抗都ADS物理长度的微带线,使用自带的工具LineCalc是50Q电长度degree特征阻抗oh物理长度m5.9912TH55081.43711.6785059.237TH66.103675.22450TH722.48650TH854.316表2.1微带线的电长度和物理长度低噪声放大器的总电路图2.29图2.8 原理图仿真经过以上各局部的设计,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StabFactl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.