基于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 1目目 录录目目 录录.11 1 引言引言.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.152.9

2、小结.15 21 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 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 G。 放大器

3、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=5.8GHz； 带宽 B=300MHz； 增益 G=15dB； 噪声系数 Nf 小于等于 3dB； Zin=Zout=50。 31.4 小结 本次对低噪声放大器的设计，使用

4、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。 42 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 是一种低噪声砷化镓 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

5、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，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 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=

6、20mA。图 2.1 ATF35176 的 datasheet图 2.2 直流分析原理图 5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

7、称值代替。图 2.4 偏置电路原理图图 2.5 偏置子电路 6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 Term、StabFact、MaxGain。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_Feed】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。图 2.7 加入理想直流扼流和射频扼流的原理图 7图 2.8 最大增益和稳定系数曲线仿真结束后，显示 MaxGain1 和 S

8、tabfact1 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。图 2.9 晶体管源级添加负反馈后的原理图图 2.10 最大增益和稳定系数曲线 83.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

9、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。然后用给定的电感值算出等效的传输线的长度（，其中 L 是电感值即 0.3nH，ZO rOZL81.11=l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，稳定系数和增益基本达到要求。图 2.11 全部换成真实器件后的原理图图 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：图 2.13 输入等式 9它们代表的意思分别是返回值是前面定义的 m1 的频率，

10、即 5.8GHz；返回噪声系数圆；返回增益圆。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 m5 点的阻抗（43.15+j*25.60） ，通过使用 DA_Smith Chart Match 工具，对电路进行输入匹配。图 2.14 加入 DA_Smith Chart Match 工具 10图 2.15 设置 DA_Smith Chart Match 参数图 2.16 设置 Smith Chart Utility 工具的阻抗图

11、2.17 Smith Chart Utility 微带线匹配 11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 2 122.6 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 28.109-j*12.593，为了达到最大增益，输出匹配要 50 匹配到 Zin 的共轭。通过使用 DA_Smith Chart Match 工具，对电路进行输出匹配。图 2.22 输出阻抗的曲线图 2.23 设置 Smith Chart Utility 工具

12、的参数图 2.24 设置 Smith Chart Utility 工具的输出阻抗 13图 2.25 Smith Chart Utility 微带线匹配图 2.26 匹配子线路图 2.27 Tuning 后仿真结果 3 14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明物理长度的微带线，使用 ADS 自带的工具 LineCalc，所有微带线的特征阻抗都是 50。电长度（degrees）特征阻抗（ohm）物理长度（mm）TH581.437505.9912TH659.2375011.678TH775.224506.1

13、036TH854.3165022.486表 2.1 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 152.8 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。图 2.30 总仿真结果图 稳定系数矩形图中 StabFact1 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=15.0