射频电路大作业-低噪声放大器设计

ATF-331M4低噪声放大器设计

一、指标要求

UseAvago'sATF-331M4todesignaLNA

OperationFrequencyrang:2.4GHz~2.5GHz

NoiseFigurebelow0.7dB;

Gain>15dB;(Feasiblemaximumgainis16.1dBat2.5GHz)

VSWR(input)<1.5;

VSWR(output)<1.5;

Usetheschematictooltosimulateandrealizeitwiththelayouttool(Momentim)

inADS.GiveboththeschematicandlayoutofthefinalLNAamplifiercircuit,detailed

simulationprocedure,andthesimulationresultsobtainedwithboththeschematic

andlayoutcircuit;

设计步骤

1.下载芯片模型

首先从安华高科的官方网站上下载芯片的ADS模型和datasheet

optrneedforthedg0modJeorfttstor

Diooes

second3nsDasostalcnUMKELPUPTODATlH

FBAR咯Thegp蜂suiU*for祁s

MdLAM.iiedM&essandotherRF

FrcrtEnoModules

applotmsintheAWUHzto10GH2frequencysje

Mh9r$

,WEI

Swfichas

AvtowDauShoat(PDf)

Trmstocs

Actwe

FLATUR£SM

•T^calp««5xmancoat2GH:4W60nMisHF^O6dB)P3aidBm,P1CB二19gm

s03・l5dB

Holes

1/opacaionBnd-Afi10S3X1M4^DemoBoardfortheATF33W4PHEMT

Dracos(55KBPOF)

wBodiceNote-AM1288ANotseinterceptPohtA^pinefk*1850X>1910

MHiPCSAppKabonstheATF331M4OepleOonMoo>H£MT(172Kfi.POF)

24opiancnr<c<«•AH5440:LowNoise,intercoptPoint900UK:Using

S-ParanielGr・ATF-231U4-SandnoiseparamMHS彳2v402(1KBS2PJ

S-Pafd*neief-ATF-W1M4-Sanonoiseparar^s&3v.40nu(1KBS2P)

S-Par3-neler•ATF-331M4-Sandnoiseparametersat3V.602(1KBS2PJ

S-Parameler•ATF-331M4•Sandnoiseparamosat4V.40nU(1KB32PJ

将芯片模型解压为project文件，供仿真调用。新建一个工程文件，将解压好

的ATF-331M4文件添加到新建的工程文件中。

才方理。电｝乜非扃0K=二

・0ad420M

U-

□ATF331M<.wfk

口hp«tof

>Owburatet

>bH.wrk

Jil«View，*UVIMLiWvyVi««

.DAUwXAdmi&tr—d*20]4\home»okLNA_wk

W|SHeaLbr”De4MonFite

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U0Libf«rw»，>dt2014,ATF3»M4.wdc»

Utrwi**g4libraryfil«BwilyU*t*«1

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■-p▲ATFI31M4.lft>XIW12/5XMS

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illhcmewo<fc_lNA_SbgneworkJMjb。JU4O«MUSJldatt2014/12/5XHS

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端Home9roup

14.Dcf(M>MN<C.dcfk).

I3，J

2.直流仿真

仿真前要先确定芯片的直流工作点，指标要求2.4-2.5GHz的增益要大于

15dB,查看芯片数据手册发现在2.5G的频率点上％=4%1的=60喃时增益

最大，所以选取V小4V,小二60献为直流工作点。

ATF-331M4TypicalScatteringParameters|vDs=4V/D5=60mA]

S11$21S12522

Freq.

GHzMag.Ang.dBMag.dBMag.Ang.Ma%Ang.dB

0.5031•93.0023.11143012730•28.640.03753.900.37-161302537

0.80.78-120.0019.909^9112.40-26.560.04748.300.43-169.072323

1.00.77-133.0019.038.94105.60•25.680.0S246秋0.45•173332235

1.50.75-152.0015.746.1293.43•23.880.06445-830.48178.371961

1.00.74-160.0014.505.3107.90-22.050.07245.730.40174a10Z6

2.00.74-164.0014.245.1584.80-22.270.07745630.4917137

2.S0.72-171.0011.293.6777.77•20.820.09145.730.49165.90(【16.06J

3.00^9-175.0010.213.247163-19.250.10945270.5116230

4.00.71163.00L642.4152.93-17.650.13135200.51138.6311.41

S.00.731S0.00S.9319841.40-17.080.14030a0.51135.709^9

6.00.71141.004.811.742&60•16.480.1SO22230.S2118.438.31

7.00.73124.003.751.541430-15.650.16511.90053111.937.56

8.00.74113.003.521.50620•15.240.1737X)70.53111.107.52

9.00.7697.903.291.46-537-15.140.175-1370.5495.43731

10.007983.702.67136•18.90•14.890.180•13.170.5480.607.10

11.00^662.100.831.10-3330-14.890.180・25670.5467.906.92

12.003762.300.001.00•38.80•14.420.190•29.700.6061.936.50

13.00385220•0.820.91・5080-14.890.180•40670.6551.075.93

新建原理图文件，将芯片模型放到原理图中，并调用ADS自带的直流仿

真样板。

FileViewFolderView|LibraryView

/口.D:\User$\Admini$trator\ad$2014\homework_LNA_wrk

,[CJATF331M4

厢schematic

〉symbol

FETCurveTracerDC_F,ET

SIM1

GateDrainVGS_start=-0.7

VGS_stop=-0.4

LVGS_points=10

VDS_start=O

VDS_stop=8.0

VDS_points=41

隰］Displaylemplate.

disptempl

"DC_FE口'

ATF331M4

l_0

得到的直流仿真结果如下图所示，得到栅极电压为-0.6V,而datasheet里

给的典型值-0.51V,两者用差别，这里还是用-0.6V来进行仿真。

DCPowerConsumptionversusBias

SW1VGSM)400

SW1VGS=4)433

SMIVGSM)46T

SMIVGSMI500

SMIVGSM)S33

SW1VGS-0567

MoveMarkermltoupdate

valuesbelow:

DewcePower

Conscriptionat

40000245

ATF-331M4DCElectricalSpecifications

TA=25℃,RFparametersmeasuredinatestcircuitforatypicaldevice

SymbolParameterandTestCondtionUnitsMin.Typ.⑶Max.

kiss⑴SaturatedDrainCurren:Vds=1.5V,Vgs=OVmA175237305

Vp⑴Pinch-offVoltageVds=1.5V,Ids=10%ofIdssV-0.65-0.5-0.35

1■QuiescentBiasCurrentVgs=-0.51MVds=4VmA一60一

Gm⑴]TransconductanceVds=1.5V,Gm=Idss/Vpmmho360440—

IgdoGatetoDrainLeakageCurrentVgd=-5V一一1000

IgssGateLeakageCurrentVgd=Vgs=-4V一42600

NFNoiseFiguref=2GHzVds=4V,Ids=60mAdB—0.60.8

f=900MHzVds=4Ids=60mAdB—05—

GaAssociatedGainf=2GHzVds=4VJds=60mAdB13.51516.5

f=900MHzVds=4Ids=60mAdB—21—

0IP3Output3rdOrderf=2GHz,Vds=4yIds=60mAdBm28.531—

InterceptPoint⑶5dBmPout/ToneVds=4yIds=60mAdBm—30.8—

f=900MHz,

3.稳定性和最大熠益分析

按上文设计的直流电压搭建仿真电路图，Cl、C2为隔直电容，LI、L2

为扼流电感C3、C4、C5、C6为旁路电容。原理图中的电容和电感模型是村

田电容模型，电阻为ADS自带的普通贴片电阻。

首先观察电路的稳定性，仿真的结果如下图所示，在2.45GHz处稳定因子

K小于1,所以电路还不稳定。这里采用负反馈的方法来保持电路的稳定性。在

源端添加短路传输线，由传输线理论可知小于四分之一波长的短路线相当于一

个电感。

我

m11

freq=2.45(

StabFactl

下图为添加负反馈后的稳定因子，可以看出在2.4-2.5GHz处电路保持稳定,

可以进行下一步的设计。

on

freq,GHz

添加负反馈后，最大增益由16dB下降到12.3dB,无法达到指标的要求,

但如果不添加负反馈，电路会产生自激振荡，输入输出都无法很好的匹配。

#

c

⑥一

蓼

014

freq=2450GHz

MaxGain1=12.310

freq,GHz

4.输入和输出的匹配

下一步是进行输入端口的匹配，由于输入端口的匹配情况会影响到噪声系

数，增益和驻波比，所以匹配时应该同时考虑多个因素。下图左边蓝色表示等

增益圆，红色表示等噪声系数圆。下图右边表示如入端的输入阻抗。m8点的噪

声系数是0.515,满足噪声系数的要求，增益是：2.020,也很接近最大增益。

而且阻抗也基本与输入阻抗共枕匹配。所以选择源阻抗为16.8+18.5.

in4

freq=2.450GHz

Vla>Gain1=12.520

m9

freq=2.450GHz

realiZin1)=15.766

imag亿in4)=6541

8

P

D

6

0

indx=find_index(SPfre<i,indep(ml))

Circledata=ns_circle(NFmin[indx]+{0,015.0SJ.NFmintind^.Soptfind^,Rnfind^SO.BI)

GaCircle=ga_circle(S[indx],Ma)Gain1[ind^-{0,05,1,18,3),51)

使用软件自带的smithchart匹配工具进行输入端口的匹配，匹配过程和生

成结果如下图所示。

im#1nH#1pF#50Ohm#ZSource.snp#S(1.