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Xxxxxx二 O 一三年十一月目录目 录 . 1 11 1 引言 . 2 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 2 低噪声放大器设计 . 4 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

2、 . 152.9 小结. 151 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 LNALNA 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 K必须大于 1 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

3、要指转换功率 增益 G G。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=5.8GHzfo=5.8GHz ；带宽 B=300MHzB=300MHz ；增益 G=15dBG=15dB；噪声系数 NfNf 小于等于 3dB3dB;Z

4、in=Zout=50Zin=Zout=50Q。1.4 小结本次对低噪声放大器的设计， 使用 AgilentAgilent 公司的高级设计软件 ADS2009ADS2009 仿 真，首先确定了 ATF35176ATF35176 晶体管的静态工作点，得到晶体管 ATF35176ATF35176 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心频率为 5.8GHz5.8GHz 满足指 标要求的低噪声放大器。图 2.2 直流分析原理图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。HPHP 公司的 ATF35176ATF35176 是

5、一种低噪声砷化傢 PHEMTPHEMT 器件，在理想的工作点下，在 12GHz12GHz 以下噪声系数为0.750.75 dBdB 以下，是一款适用于工作在 218218 GHzGHz 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ATF35176ATF35176 单级增益可以达到为 18dB18dB,而本设计要求增益达到 15dB15dB,所以只需要单级电路就 可以达到指标。ADS2009ADS2009 自带的元器件库里含有 ATF35176ATF35176 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管的直流工作点，根据ATF35176A

6、TF35176 的 datasheetdatasheet置DC_FETDC_FET 控件的参数，连接原理图后进行仿真。从ATF35176ATF35176 的数据手册可以得到噪声 VdsVds 和 IdsIds 的关系，从而确定静态工作点。在 6GHz6GHz 时，当 Vds=3VVds=3V 且 Ids=20mAIds=20mA 时，此时增益大约为 16dB16dB，能满足设计要求，那么晶体管的直流工作 点就设为 Vds=3VVds=3V，ds=20mAds=20mA。PlornHwAbsolijM ULUimum11DraiivScum Vbltapge恤+4 VGfne-Source Vo

7、rtogt-3 VDrain* QjrrentIDPT235 mWRF Input pQwtfrPMIHN*10 dBmCMflM恂luntTc*f150XTJTQAStolSOX图 2.1 ATF35176 的 datasheet_FETSIM1VGS空PFtnQVGS_sl:op=3VGS_poin(5r=l5VDS_s(HfL=OVDSslop-41 /DS_panf=3lOlipld；It dlsLeNmp1；DC_FETr_FET CumlirEiceiiGs帕Drain图 2.5 偏置子电路mA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

8、图中放入 ATF35176ATF35176 的模型和 DA_FETBiasDA_FETBias 控 件，选择TransistorTransistor BiasBias UtilityUtility 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。3J31氐他4D!-Ehfe rkenm 1 ta ijpdle-HlIM btfO*

9、DtCS P财刃Co伽r耳仙#msml bi3p*rtiDrgnCUTTBD：-四34再B呂2邮申ttlil4到聞1曰期YE( (D55iVDSaritl湖诫540 B卫*3DC Pc肚軾PI丸询Bias图 2.4 偏置电路原理图图 2.6 完成后的偏置电路原理图2.4 稳定性分析1.1.进行 S S 参数的仿真，添加控件 TermTerm、StabFacStabFac、MaxGainMaxGain。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，在这里先用【DC_FeecDC_Feec】直流电感

10、代替。同时，直流偏置信号不能传到两端的TermTerm，需加隔直电容，【DC_BlockDC_Block】隔直电容代替。图 2.7 加入理想直流扼流和射频扼流的原理图图 2.10 最大增益和稳定系数曲线图 2.8 最大增益和稳定系数曲线仿真结束后，显示 MaxGain1MaxGain1 和 StabfactlStabfactl 两个图表中观察，从图 2.82.8 我们可 以看出，在5.8GHz5.8GHz 时，最大增益为 18.042dB18.042dB,稳定系数为 K=0.646K=0.646，绝对稳定 系数 K KV 1 1,说明电路不稳定。2.2.当电路不稳定时，可以采用负反馈电路形式解

11、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。il-11财042rnit期却WT7翩-=J二m261血列勺646,Lgn.ra.-HzIII 525 4M汀eiwea *ml llSTOGHlM.-|ei*iiE_ciiijiHMEiiiindMFW0i.DR2JNFminiinclKL5op4indK_|Rji|.inck4SD9i1jGaQirde-ga_cITEIe(Santx| MaMJainl |inclx|-；LI O.S/1 2 3 51)图 2.11全部换3J+l乳啣sA Vi-

12、42 e-ss am2(ie-J=5 SOOGKUStabF 711=1 m上z1.1LFcr轟IH11 ficE D5XHZ.MsKGainl=l5 121仙CH2mirryq-S.QIXIkl.-lHXGain1 = 1410midf-txr5.G5XHZMarair1 = l3 6BtndxMmdJMMP.Iteq1)Lw它们代表的意思分别是返回值是前面定义的mlml 的频率，即 5.8GHz5.8GHz;返回噪图 2.14 加入 DA Smith Chart Match 工具-Gairce=ilfi77J 125.17?QM-liilMiH同11立相+4删rnF os pirn 5 1

13、1曰re leQUZF-47.53$ tMKgur=0Jit2525B npclM* 3JT(1划；-r- .：7 I ! J_QVirk-1i4M4MIhfi peddfit F *驻一韵息 *j& H逅图 2.14 circleData 和 GaCircle 的史密斯圆图查看史密斯圆图，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，首先要考虑最小噪声系数。那么最优的输入端阻 抗就定为 m5m5 点的阻抗(43.15+j*25.6043.15+j*25.60 Q)，通过使用 DA_SmithDA_Smith ChartChart MatchMatch

14、 工具, 对电路进行输入匹配。*-TW-.26SmifhChartLw事酿由.，:-llgf灯卡房uixn!s*PLW二KElanfF T Mvfir-A善O.F 122m.d*4p4kc-RlxcM-一Ld H -4it4-C2.17Sm图 2.18 匹配子线路图 2.19 匹配后输入阻抗图 2.20 Tuning后仿真结果 1图 2.21 Tuning 后仿真结果 2o PMP1TL1自1 pTLIN TL2Z*50 OhmE*17：OF5.B GHtoPert P2Num2mflrir5 80OGHi亡諾2IM #50云57啣二5.BD0GH1013ITECFSBDOGHZ1) 1C 2

15、33frEq=SSCOGHz朋和1-tt 902m3HK2 r5 300QHZ5LaW-JK.111 ml2.6 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 ZinZin 控件，查看输出阻抗 的实部和虚部，得到输出阻抗为 28.109-j*12.59328.109-j*12.593 Q,为了达到最大增益，输出匹 配要 5050Q 匹配到 ZinZin 的共轭。通过使用 DA_SmithDA_Smith ChartChart MatchMatch 工具，对电路进 行输出匹配。图 2.22 输出阻抗的曲线工具的参数图 2.23 设置 Smith Chart Utility图 2

16、.24 设置 Smith Chart Utility工具的输出阻抗图 2.27 Tuning 后仿真结果 3图 2.26 匹配子线路Im?E：苗HgJ已创1仝厂=J 帕 C*UUMFs 1，iff i*v*WMCrriw Hfip-IC-G 业卫a F-卄An-11 |卄1T1tIt-&1图 2.25 Smith Chart Utility微带线匹配F=5.flGHlF=5 B GHz=:】-T1-*-屮|1讣10i2 $1 1 ifl 11rAfil躬|m9图 2.28 Tuning 后仿真结果 42.7 匹配网络的实现理想微带线，其参数只有特性阻抗、电长度和频率，需要换算成实际的标

17、明 物理长度的微带线，使用 ADSADS 自带的工具 LinLin eCalceCalc，所有微带线的特征阻抗都 是 5050 Qo电长度（degrees）特征阻抗（ohm）物理长度（mm）TH581.437505.9912TH659.2375011.678TH775.224506.1036TH854.3165022.486表 2.1 微带线的电长度和物理长度o c “HQ1.7se c nGHz图 2.29 低噪声放大器的总电路图2.8 原理图仿真经过以上各部分的设计，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。msm3y 汕旳GHM稳定系数矩形图中 StabFactlStabFactl 的曲线可以看出，稳定系数 K K 在频率范围内大 于 1 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)nf(2)的曲线可以看出，低噪声放大器的噪声系数在4.8GHz-6.8GHz4.8GHz-6.8GHz 的范围内都在 1.2dB1.2dB 以下，满足设计要求中要求的噪声系数小于3 3 的指标。在 S S 参数矩形图中可以看出增益系数 S21S21,在 5.65GHz-5.95GHz5.65GHz-5.95GHz 频率范围内， 增益的最小值为 S21min=15.016S