根据ADS的低噪放大器设计

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XxxxxxO 一三年目录1 引言1.21.31.4低噪声放大器设计理论低噪声放大器设计步骤本次设计主要性能指标 小结 2 低噪声放大器设计2.1 晶体管的选择和下载2.2 直流分析 2.3 偏置电路的设计 2.4 稳定性分析 2.5 噪声系数圆和输入匹配2.6 最大增益的输出匹配2.7 匹配网络的实现 2.8 原理图仿真 2.9 小结 目录. 8121415151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

2、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Go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

3、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=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 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

4、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是一种低噪声砷化傢 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，

5、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®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 lds=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。SytrijbelAbuliMUf屈eueNDrain-ScKjroft Volta学g+4 Vg3 VDisin CurrentIdIJrot*! Power D 黏 ipaten “PtZS

6、SmWPF Inpyt Ipgwef4-lOicSmCMfirtel Tfmperadre1i|：NStortg* irimEwsTrtfjreSTG椿150迄图 2.1 ATF35176 的 datasheetFFT Qiiws Trnt er3塔DramSIM1VGS_9(arT3iiVQS畑=3VGS_pd«i(s.i5VDS_5lafl0VDS_5(Op=4 4)S_poinTs=JiI强I Ute Jw., aiYpiflmpI ”DC_FET_T"抽XI图2.2直流分析原理图1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

7、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。Kidui- h. if5士 Type-册 ET/ Id-J 口 mA vt-图2.4偏置电路原理图0 二一图2.5偏置子电路I .f.XI7 I GnnVfci.CiV=7-

8、斗 or*s 图2.6完成后的偏置电路原理图MaxGain。放大器的直流2.4稳定性分析1.进行S参数的仿真，添加控件Term、StabFac、和交流之间的通路要添加射频直流电路,它的实质是个无源低通电路,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【DCFeecU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。jjgi-m 1.gr:ln.E_kt;SLtnF«iJr图2.7加入理想直流扼流和射频扼流的原理图； !IJ:IB-hlatf 罰图2.8最大增益和稳定系数曲线OGHi I iRlj

9、i eSOGhiM虫矽IhFT黔 iMJtfGal帛二 10 pgE11f595G5h b伽刖讦Ji 了矇rEL仿真结束后，显示 MaxGain1和Stabfacti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。晶体管源级添加负反馈后的原理图K_1-：Aacg图2.9I略BOOTG吃WF3rt1

10、 = 1 njinlf罟5朗OGH£ MainaioiriowmiD fieq=J tSOGMzn11rteF5 950GnzUfiidp怖5 TTl最大增益和稳定系数曲线图 2.10然后用给定的电3.接下来把理想的DC Feed DC Block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。感值算出等效的传输线的长度（丨二118上，其中L是电感值即Z。厂0.3nH，Zo 是微带线特征阻抗，得到l=0.58mm ）。全部换成真实器件和微带线后, 益基本达到要

11、求。稳定系数和增图2.11全部换成真实器件后的原理图-呼0m2rpri'lrum(leqiJSOOCHi SEtf3：n=1 091网巧射OCH上HaxGainl=t41D国piMDC血|Mar：m1=1S 丁田HeqiSDSOGHiMHK£in1l=ia 121e图2.12最大增益和稳定系数曲线5, £je Ei ID 62 e* £占2 DJ th E二=A 俺 13 eCH、E1r屮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：f-皿帧稠刃田

12、lEffflPii I Lmirn旧HUffljAMfeiK I a ciiiinniunmn醐ui n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;返回噪声系数圆；返回增益圆。/和 GaCircle2.14 circleData查看史密斯圆图,5cCin:e= l£77 . 125 偌 押iL随ijfrtawlagfl 丘匸亠】-U.弓HZQflFl盘fU斗肖5W pednfr - H ' 口一&34 - p JE&：的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

13、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 Q)，通过使用DA_Smith Chart Match工具,对电路进行输入匹配。z.o®佔PpUQhT mm 隹MP OhHii4F當4 Mni ：T rr - <- I-=PlrtNunlwrnVI Sffi :;A2XJA- * E如皿m图 2.14 加入 DA Smith Chart Match 工具7“s -m* * fi.j-.ijJiJ 亠*fri*-'dlu-t LldB "-I *1：lk_ig>r 勺dJ tr 4*1 u卬二“伽 to u r H p f=

14、X Smjrqr£n-fbt-TrrfT- 縮F；S叶ILg ± Ti-I 9屮SujrueFib±'Z3curu.5-Lp ur<chlc«nn='S|kll 3砂黛* III *1肿5 LoftJT菲jr= C<""ip* I呻记inrt l6frnw*=-riJ*Pl.印 14芦« rilfU4'-iEILL-l rt-l a-1 pFTi .严4Vk-*nm r_.IL 【刖 R*IK'U>NC kiuljiL n I- -1 i-图 2.15 设置 DA_Smith

15、 Chart Match 参数ISJ hittwcx t T-rrrr rwtiona丿 3h11b L*iid TM-rrMiiBR弓UUIPU ipvUKU HuLaCii；vulhd n 呼 duilb!(" uThJI Irduih1 日.La21J± _ L *； |L l_. LI - I Ik FHE1 L： t：; r-.：ISSrliei-iELE PlidhU F*F riflutt trf44 *SiarCfl 快rtifl/ithti "iLl t±4 ".be i*c-Aitti tS h« bbii dii

16、J*名 MiJ Irt-df h杠 vsnii-t n Itt “f Rn«f «*/. J lh 5«q Ik b-u I Tl«- 2 Icid. locL :LcLfacn Z 口m hiolofl hillba Edt.血iwpcHo/ aiwl込 Etxdbdr.i 屯他m -I'ic 5 ibui 电鬥imi彳站 M”dir1cotf CoiictL I图 2.16 设置 Smith Chart Utility工具的阻抗Nf P4r-11爲客I圏誌4 卜園H ItejiC rid. g.JECh7T3J 1 iMdbgS.hfi>

17、;4 F" IIC L-x-l i J I-Ah I h-tf II / '、/、alJ r 2.B|rlwVra »ntetr ZWk IW讣PrJil<i S«JiEhv4 l| .uial*iT«|- I!> *-iLfe|小J1Ibk.bSiikin、微带线匹配图 2.17 Smith Chart Utility1713图2.18匹配子线路图2.19匹配后输入阻抗EDOG Hz1)-IS 233L1mA7 礼h片二C訂三-二二応.三te冒!rfl图 2.20 Tuningm3 hKTf OOQ-Iz SUM-<0-1 T

18、tJ目t.-l图 2.21 Tuningri7 hEtFSSDOGHz d日占灯903.J#-J.、 /:r气-D-.d1 /Lii C2EJ后仿真结果1:-D-l-JJ-P. J r1r A*9 喘 山 t S9' *'a ' sL ( s f:"rtl Ef后仿真结果2片J*ikJ白 r MDt2.6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，查看输出阻抗配要50 Q匹配到Zin的共轭。的实部和虚部，得到输出阻抗为 28.109-j*12.593 Q,为了达到最大增益，输出匹通过使用 DA_Smith Chart Match工

19、具，对电路进行输出匹配。mTrfq.SaOOOHlin&fBaHZril-F2£.1O9 w 壮fr«4>5£OOOHL i 三IE ag (Zjrt 1 鶴- 输-Kf-fl an bJ *-1 et 吕 fl M 附？ fi图2.22输出阻抗的曲线IH" P= r- B ' *-) IE«A ir - f w 4 .*1t 3 f怕<McT1« CB-fc'备ill I jj; *" rn .If* kn|_R"di，i X屮FzHb zTi i，LW还-tjhfhI斗=h.

20、 pmt-jsl 2glJu曰'If 十iH."drL»F1l*1pdrin-rL 14"p plrr"wiit' li r*LCorvIks Irrgpj I'liica Lik«dl-liAtlF - IkkiFLh = L 7 Cl L pFLmadnh-TV "“ *.- 3.riSMirnsri IrE'qMP.j-u. I di i-HT-.IB-讥4h Ft LfMYh图 2.23 设置 Smith Chart Utility工具的参数Snifre T严Him*L«fedCar

21、p1 u Dp hiJuif*TIftxL -fet L n-TZ =1 en JD9-J=QbrR -wnM. y卜 1r-IErt=c -Iv"iH-Ili 订二-II -'1'Lc r|fl-ni氐"、11'XA 口y 1 怦 d 1 1段.m,L .上If-111._V jL-L+X-pT «SCqpLkfPdc-t L E_cfar «h*Lti*r bd w Ed u- c-i l-i m i na L L «. Kill ph* lE-.fc inp-fe lu zh nl C.U. L,ii 工 >

22、E-. J 1 «dL ihv k- n-D J kd"* of kq N v Z 1 1 rti l1 :Oi Qixr Tti. iL*d.嘴t嘴gp- ib* +*71 Abjti叶 百】1二 iLi-? l-irkj pi-*nrU 氐*L /=L«.dB ba-iib«nd E-vc dw tn LLl I u v lul-L a .« a.v.ln n- k.工具的输出阻抗图 2.24 设置 Smith Chart UtilityM* k -v A;京G 431 JJ> |fs*祚fflr 'Yl-DC &齣如

23、I3C« I 癒 j-.K« k i'Ub I 】w.if*r* .“IiLfem9Fmwfe r ":：>-TE- Irii ?«=! /yE L.X L.J 町<n>K.ISi 0 AIM *. 叩 Miff*Uih图 2.25 Smith Chart Utility微带线匹配-OB： -P1 -.Num=1Z-50 OhmE=15 4aF=5.EGHz图 2.26Tl 陶-TL2i =M Cihm-E = 34.1.4 .F=S a GHzoPor -P2 -Num =2匹配子线路m?丘SHOOGHz dB缶（1 11匸72仝"图 2.27 Tuning后仿真结果3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|匚一 b/ /£,/=-1 1 L 1 1 1 1 Pi ' 1 r 1 Tr匚 q