低噪声放大器设计

1、宁波大学硕士研究生 2012 / 2013 学年第 1 学期期末考试卷考试科目： 高级射频电路 课程编号： 1435039 姓名： 李玲 学号： 1211082036 阅卷教师： 成绩： 课程设计(大报告)：要求从下面题中任选一题。1、 试设计一个用于LTE-Advanced系统的高效率、大功率射频功放，带宽大于150MHz，最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝，增益不低于13分贝，最大效率不低于55%，输出功率高于50W，中心频率在800MHz、1900MHz、1950MHz、2140MHz、2550MHz和3500MHz中间任选一个。 要求给出详细设计过程及仿真优化结果，包括器件选择、器件

2、特性仿真、输入输出阻抗的确定、输入输出匹配电路的设计及其仿真特性、功放电路的整体仿真特性及优化结构、成品率分析; 完成课程项目设计报告，要求报告长度不得少于15页；2、 试设计一个用于LTE-Advanced系统的低噪声放大器，带宽大于150MHz，最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝，增益不低于15分贝，噪声系数小于0.8分贝，中心频率在800MHz、1900MHz、1950MHz、2140MHz、2550MHz和3500MHz中间任选一个。 要求给出详细设计过程及仿真优化结果，包括器件选择、器件特性仿真、输入输出阻抗的确定、输入输出匹配电路的设计及其仿真特性、放大器电路的整体仿真特性及优化

3、结构、成品率分析；完成课程项目设计报告，要求报告长度不得少于15页；射频低噪声放大器的ADS 设计1、摘要低噪声微波放大器（LNA）已广泛应用于微波通信、GPS 接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要电路。低噪声放大器位于射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大。前级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响。对低噪声放大器的基本要求是：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、足够的带宽和大的动态范

4、围。Advanced Design System(ADS)软件是Agilent 公司在HPEESOF 系列EDA 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。2、低噪声放大器的应用低噪声放大器是现代无限通信、雷达、电子对抗系统等应用中一个非常重要的部分，常用于接收系统的前端，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统的灵敏度。如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在肥皂水放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声

5、系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。因此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。国际现状:在国际卫星通信中，低噪声放大器的主要发展要求是改进性能和降低成本。由于国际通信量年复一年地迅速增加，所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信要求。以你此，要不懈地努力去展宽低噪声放大器的宽度和降低其噪声温度。从经济观点出发，卫星通信整个系统的成本必须减到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种有效的方法，因此地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减少。国内

6、现状：在国内卫星通信中，重点放在低噪声放大器的不用维修特性以及低噪声和宽带特性，因为在这些系统中越来越广泛地采用无人管理的工作方式，特别在电视接收地面站中更是如此。3、低噪声放大器特点及指标LNA 是射频接收机前端的主要部分，它主要有四个特点。首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。其次，它所接受的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接受信号的同时又可能伴随许

7、多强干扰信号输入，因此要求放大器有足够的线型范围，而且增益最好是可调节的。第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连，放大器的输入端必须和他们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并保证滤波器的性能。第四，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰。3.1 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。

8、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。3.2 噪声系数放大器的噪声系数NF定义如下：式中：NF为射频/微波器件的噪声系数；Sin,Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率；Sout,Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。噪声系数的物理含义是，信号通过放大器后，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。通常，噪声系数就是用分贝数表示，此时对单级放大器而言，其噪声系数的计算公式为：其中，NFmin为晶体管最小噪声系数，由放大器的管子决定；opt、Rn和s分别为获得NFmin时的最佳源反射系数、晶体

9、管等效噪声电阻、晶体管输入端的源反射系数。由此可见放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计，也就是根据所选晶体管的opt 来进行设计。设计输出匹配电路时采用共轭匹配，以获得放大器较高的功率增益和较好的输出驻波比。对多级放大器而言，其噪声系数的计算公式为：其中，NFmin为第n级放大器的噪声系数；Gn为第n级放大器的增益。在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常用噪声温度来表示：N=KTeB。式中，K：波尔兹曼常数；Te：有效温度，单位为K；B：带宽，单位为HZ。噪声温度与噪声系数的换算关系为：NF=(dB)=10Lg(1+(KteB/KTOB)=10L

10、g(1+(Te/To)其中，Te为放大器的噪声温度；To=290K；NF为放大器的噪声系数。3.3 放大器增益在微波设计中，增益通常被定义为传输给负载ZL的平均功率与信号源的最大资用功率之比：增益通常在阻性信号源和端接阻性负载的情况下定义，这就表明了信号源的资用功率都提供给了负载。放大器的资用功率经输出口适当匹配提供给终端，并且增益的值通常是在固定的频点上测得的，又由于大多数放大器的增益频率曲线的不平坦性，因此还必须说明增益的平坦性。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

11、 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 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。

12、3.4 放大器的稳定性晶体管放大器电路原理框图如图3.1所示图3.1 晶体管放大器电路原理框图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0>1，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0>1，将导致反射电压波的幅度变小（负反馈）。当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1,即in<1, out<1 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

13、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。3.5 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。一般来说，现在绝大多数的LNA 均采用后一种匹配方法，这样可以避免不匹配而引起LNA 向天线的能量反射，同时，力求两种匹配接近。3.6 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，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

14、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。4、低噪声放大器设计仿真及优化4.1 设计要求与目标 试设计一个中心频率在1950MHz用于LTE-Advanced系统的低噪声放大器带宽大于150MHz最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝增益不低于15分贝噪声系数小于0.8分贝低噪声放大器的设计大致步骤如下：下载并安装晶体管的库文件直流分析偏置电路的设计稳定

15、性分析噪声系数圆以及输入匹配最大增益的输出匹配匹配网络的实现版图的设计4.2 仿真设计在较高的频段设计低噪声放大器，通常选用场效应管FET 和高电子迁移率晶体管（HEMT）。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，放大器存在着最佳的信号源阻抗Zso。此时，放大器的噪声系数应该是最小的，所以放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计，也就是根据所选晶体管的opt 来进行设计。为了得到较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出匹配电路则采用共扼匹配。输入匹配电路在达到最佳噪声时，放大器的输入阻抗未必恰好与

16、信号源阻抗匹配，因而功率放大倍数不是最大。设计放大器时，首先考虑的是噪声尽可能低，其次才考虑增益的问题。因此，牺牲一点增益来换取噪声系数的降低是必要的，两者之间应该取一个合适的折中。综合各方面考虑，本实例采用的是Avago公司（原Agilent公司半导体部）的高电子迁移率晶体管ATF54143芯片。4.2.1 直流分析设计低噪声放大器的第一步是确定晶体管的直流工作点。ATF54143进行直流扫描，它的直流特性图如图4-1所示。图4-1 ATF54143直流特性图结合ATF54143的数据手册，确定晶体管的直流工作点设为Vds=3V,Ids=20mA4.2.2 偏置电路的设计设计如下偏置电路，完

17、成后的偏置电路原理图如图4-2所示，使用Designer Guide中的Amplifier中的Transistor Bias Utility工具。图4-2 偏置电路原理图填入相应的电流，生成的偏置子电路如图4-3所示。图4-3 偏置子电路从图中可以看出，R2和R4的电阻值都不是常规标称值，它们仅是理论计算的结果。后面会用相近的常规标称值电阻代替。将偏置子电路添加到电路图中，画好的偏置电路如图4-4所示。图4-4 偏置电路原理图4.2.3 稳定性分析把偏置电路直接接上ATF54143芯片的管脚，添加稳定性和增益控件。另外，放大器的直流和交流通路之间要添加射频扼流电路，它实际上是一个无源低通电路，

18、使直流偏置信号（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）不要进入直流通路，实际中一般是一个电感，有时也会加一个旁路电容接地，在这里先用【DC_Feed】扼流电感代替。同时，直流偏置信号不能传到两端的Term，需要加隔直电容，这里先用【DC_Block】隔直电容代替。图4-5为加入加入理想直流扼流和射频扼流的原理图。图4-5 加入理想直流扼流和射频扼流的原理图点击仿真图标进行仿真，得仿真结果，仿真结果图如图4-6所示。图4-6 最大增益和稳定系数K的曲线从仿真结果图可以看出,在1.95GHz时,最大增益22.259dB,K=0.862,小于1。由晶体管放大器的理论知识可知，只

19、有K>1,放大器电路才会稳定。为了使系统稳定，最常用的方法就是添加负反馈，在ATF54143的两个源级添加小电感，晶体管添加负反馈后的原理图如图4-7所示。图4-7 晶体管添加负反馈后的原理图最终优化时变换为等效微带线，并且把理想直流扼流和射频扼流换成村田公司的电容模型和等效微带线。添加负反馈和优化后进行仿真，仿真的最大增益为18.764，稳定因子K=1.017，K>1,系统是稳定的。但是整个电路在低频部分增益比较高，实际电路中会导致自激振荡，因此在电路中串联或并联小电阻。接下来将理想的DC_Feed元器件改成实际的器件，本实例选用MuRata的电容和电感。电源部分采用扼流LQG1

20、8和一个旁路电容GRM18，对射频信号进行阻隔和旁路。仿真结果如图4-8所示图4-8 加入MuRata后的仿真结果从上图可以看出，电路在低频部分已经稳定了。下面需要把晶体管源级的两个电感换成微带线的形式。实际电路中如果用分类的实际电感，则分立器件本身和焊接等不确定寄生参数影响太大，所以这里用感性的微带线来替代。（1） 通过给定电感值算出等效传输线的长度，公式如下：（2） 选择“Tlines-Microtrip”元器件库中选择“Msub”控件和微带线用“MLSC”,添加到原理图中，进行仿真，仿真结果如图所示。从图中可以看出，稳定性和最大增益都比较好，符合设计要求。仿真结果图如图4-9所示。图4-

21、9 加入负反馈的仿真结果把晶体管两端的“DC-block”理想元器件替换成真实器件，仍然用MuRata电容，两个隔直电容都选用“GRM18”系列，电容值为22pF,添加负反馈和优化后的最大增益为19.001，稳定因子K=1.003，系统是稳定的，全部换成真实器件后稳定系数和增益依然很好。仿真结果如图4-10所示图4-10 仿真结果4.2.4 噪声系数圆和输入阻抗匹配设计输入端采用最小噪声匹配，利用ADS的S参数控件进行仿真，得到噪声参数曲线,如图4-11所示。图4-11 噪声参数曲线从上图可以看出，在1.95GHz的时候最小噪声系数为0.622dB。接下来就要设计一个适当的匹配网络来实现最小噪

22、声系数，利用ADS的相关控件可得到噪声圆和增益圆，噪声圆和增益圆如图4-12所示。图4-12 噪声圆和增益圆由Smith圆图可知， m5是LNA有最大增益时的输入端阻抗，此时可获得最大增益为18.86dB；m4为LNA有最小噪声系数时的输入端阻抗,此时可获得最小噪声指数为0.62dB。但是这两点并不重合，即设计时必须在增益和噪声指数之间作一个权衡和综合考虑。在该Smith圆图中，考虑到噪声系数已经比较大，其他点处的噪声都比较大，对于低噪声放大器，尤其是第一级放大器，首先考虑的是最小噪声，在m4处附近最大增益为17.867dB，增益达到要求，那么最优的输入端阻抗就定为m4的阻抗17.831-j*

23、12.558。为了达到最小噪声系数，在晶体管的输入端需要满足最佳源反射系数的要求，而整个电路的输入阻抗为Z0=50，所以需要输入匹配网络把变换到输入阻抗为50。接下来就使用Smith圆图匹配工具进行输入匹配，输入端匹配“Smith Chart Utility”窗口如图4-13所示。图4-13 “Smith Chart Utility”窗口输入端匹配子电路如图4-14所示所示图4-14 输入端匹配子电路图4-15为输入端匹配电路的仿真结果图，从该图中可以看出，在CircleData圆里，m4点的阻抗正好匹配到50，此时在噪声圆里面整个电路的噪声系数nf(2)在1.95GHz处有最小值，且等于NF

24、min，说明在这点上噪声系数已经达到最优化。图4-15 仿真结果4.2.4 输出阻抗匹配设计利用ADS软件的相应控件可以得到输出阻抗的曲线，如图4-16所示。图4-16 输出阻抗曲线图从上图中可以看出，输出阻抗为72.917-j*50.836(即S22)。为了达到最大增益，输出匹配电路需要把50匹配到Zin2的共轭。仍然使用微带线匹配，加了输出阻抗的“Smith Chart Utility”窗口如图4-17所示图4-17 输出阻抗的“Smith Chart Utility”窗口输出端匹配子电路如图4-18所示。图4-18 输出端匹配子电路4.2.5 整体原理图输入输出端匹配后替换子电路的总体原

25、理图如图4-19所示。图4-19 整个原理图运行仿真，整体电路的仿真结果如图4-20所示，由图4-20可知最大增益为17.169dB，稳定性系数K=1.086，最小噪声系数NFmin=0.756dB。由此可以看出最小噪声系数比较大，所以进行调节图4-20 整体电路的仿真结果图调节后的仿真结果图如图4-21所示，噪声系数为0.614dB。图4-21 调节后的噪声系数仿真图4.2.5 匹配网络的实现前面用到的都是理想微带线，其参数只有特性阻抗、电长度和频率，接下来需要把它转换成实际的表明物理长度的微带线。利用LinCale工具计算出微带线的物理长度，所有微带线的特征阻抗都是50把所有的理想微带线全

26、换成实际物理长度的微带线，原理图如图4-22所示。图4-22把所有的理想微带线全换成实际物理长度的微带线的原理图运行仿真，优化后的仿真结果如图4-23所示。图4-23仿真结果图微带线换成实际物理尺寸后，其物理尺寸的数值仍然可以通过Tuning来进行微调。从上图可以看出，在1.95GHZ处，增益为16.613dB，输入/输出反射系数均小于-15dB,且整个电路无条件稳定。设计的要求中心频率为1.95GHz，带宽大于150MHz，最大功率输出时带内功率起伏小于1分贝，所以对带宽1.85GHz2.05GHz进行扫描，扫描图像如图4-24所示。图4-24 扫描结果图图4-24可知在1.85GHz2.0

27、5GHz这一频段内，最大功率输出时带内功率起伏从大约16.7dB17.6dB小于1dB，符合设计的要求。4.2.5 成品率分析YIELD 分析能够按照变量元件的离散分布分析出产品达到性能目标的合格率，通常我们能够给出我们所采用的器件的连续或离散变化特性，它们符合电子产品的分布特性正态分布、高斯分布或其他分布。YIELD 分析基于Monte Carlo 方法，需要建立一定数量的随机试验。设计变量在容差范围内变化，随机试验中符合设计目标需要的试验次数（PASS NUMBER）和失败的实验次数将会得到，从而估算出产品的试验合格率。首先给电路原理图增加YIELD 仿真器及YIELD 参数，对放大器在所设定目标下的合格率进行分析。设置元件参量变化符合正态分布，±5，设定设计目标YIELD SPEC ，这里取S 参数、噪声系数和稳定系数为设计目标，YIELD 试验次数设置为250 次