低噪声放大电路设计

1、低噪声放大器我们用的是搞电子迁移率晶体管ATF54143芯片进行低噪放的设计。设计目标：工作频率2.42.5GISM频段，此频段(2.42.4835GHz)主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用。噪声系数NFV0.7增益Gain15驻波比VSWRin1.5,VSWRout.AdiDsigtKii.rcmPavorite：吕.AddLibrary.CoxligureLilrary.Close|Hd选择addlibrarydefinitionfile这个按钮，寻找一下刚才生成的工程的路径，进入寻找lib.defs新建的工程里面也就添加了一个atf54143_dt,在此工程也就可以使用这个晶

2、体管了。新建原理图，一图标，按照下图选择所需器件，右键单机，选择placecomponent，即可在原理图画出器件。按下图画出原理图FETCJiveTracerGate.DrainC_FTDC_FET1VGS_start=-2VGSstop=0VGSlpoints=5VDS_start=OVDS_stop=5.00isplaylemplate-disptempl.ATF-54143可在ATF54143_dtSDisplaylemplate比较淡的可看作器件名，输入即可得到器Browseinst:alledtempiates.按钮，选择参数OK后记得到上一级界面按下ADD键，即添加了模版。件。比

3、如输入TERM，即可得到以前看到过的阻抗。DC_FET1VGS_s.tart=O.VGS_stop=1VGS_points=11VDS_.start=OVDS_.stop=5.0连接好器件后设置参数，DC_FET参数VDS-PintS=41参数含义依次为起始栅极电压，终极栅极电压，栅电流值的采样点数目，初始漏-源电压，终止漏-源电压，漏-源电压值的采样点数目。选择displaytemplate，按下点击开始仿真，得到ATF54143的直流特性图。加沦LwMiifm1iouptuipflcePnwtr瓷cnFU仲imiggmihj&painLWstta自色泊2.5从ATF54143的数据手册中可

4、以读出其偏置电流曲线,FigureG.Fminws.andTunedForMaxOIPJandFminat2GHz.tu(BA)Figure9-Cainms.IldsandV亦TutiodhrMaxMP3andFminal2GHlFmin接近最小值，增益大约为16.3dB，满足设计要求。那么晶体管的直流工作点就设为V二3V，I二20mA。dsds画偏置电路：新建一个原理图，按照下图画出原理图。器件找寻方法见上文。vdcl帝卫-D*SiDA_FETBias_cell_2DA_FETBias7V_DC+|SRC1Vdc=5.0VATFS21r54143S1uATF54143_dtX1.再按照上图设

5、置好元器件参数。esignGuide*Amplifier选中其中的选项,输入晶体管的直流工作点Vdd=5V,Vds=3V,Ids=20mA。（ATF54143的封装上有两个栅极，每个栅极电流为20mA，相加就是40mA）如图：3UlLtilII:d.L1_：J-t!illmi._：-LIIIIJ_L=L,dLJ.:斗二LJ-:1：dlII=!LtJXOverviewResistiveIktwwksActiveHetwcirksE；i=amSettingsVdd.IleviceTypeI1evi:eF：ix剖iiutuirw0AntoTiiticallyExtractIIevlceF：ELr：d

6、jneterEHKMP）点击design按钮，出现偏执网络的设置，共有三种网络可以选择，这里选择第一种。OK后可以通过选中DA_FETBiasl，单击曇来看偏置子电路。记下你们自己电阻的值，后面要用。添加一个DC器件，然后进行仿真，仿真结束后执行WindowDynamicLiD&5ignGLF7-SimulateSinnulatiorSetup.SinnLil曰tionEnablesetup.HieraryExplorer.StnpandReleaseSimulator.iTuning.倉Optimize.UpdateOplimizatian佃lies齐SmartSimulationWizar

7、d.”加HighlightNode.士歩AnnotateDCSolution吧JDetailedDeviceOperatingPointrBriefDeviceOperatingPaint可以看到仿真结果。仿真结果只是一个参考。数值不一定要相等。5V-51.1mAV_DC+1SRC1-=-Vdc=&.3-V-DCDC13.11VD-37.7mADA_&TOaA1Lei2DArETBas1-13.0mAS1ATF54143189mAD37.7mA-.ATF5/143_dt.XI这里看Vds=3V，Id=40mA，不过我做出来Vds=3.11V，Id=37.7mA，误差有点大了然后可以画一个偏执电

8、路原理图，原理图如下:以后所有的原理图中，偏置电阻都要要从新改一下，数值为刚才在偏置网络中记下的电阻的值。633mV533-10.3nARR1R=4QOhmDCDC1稳定性分析:-13.3mAdniiR2R=335Ohm523jjATF541433了启mARLR3.R-50O.V_DGSRC1Vhm11V:8mA-A7F54143dtX1新建原理图，按照给出的图画出原理图：（记得改偏置电阻）.R.R1.R=36OhmULsrciV4t=&v|SfARAMFTFRSDCDC3RararriMaE.UGHz3xp=4GHzSap-iaMHzDC.FasdQC_Fdl-J1TerrnlNum=1和S

9、adr-EC如ATF54143|鬧时|StabFact.SisbFacLlSUibFacLl=kdLJacICS：-ATFE414J.dlXI口:1Masnlutajainl-曲汨dird-rraz_gain(S|ESCBlock-DC日1就说Tbrrnlwrn2Nurrr-2辭3IM顺手把参数设置一下，StabFact,MaxGain,DC几个器件不用设置了。参数设好后运行。分两次添加MaxGainl和Stabfactl两条曲线。得到最大增益和稳定系数K的曲线。L-.TH、M-專亠7lflJ比IOinX1JFJr1Illi11111111Illi1111iiiimlfreq=2.45CiGH

10、zMaKGainl=19.S11匚35211a111na?-nan770605-nj./厶m2freq-2.450GHzStabFact1-Q.B&7这里我的最大增益为19.811dB，稳定系数为0.897，小于1,而只有系数大于1时才是稳定，所以不稳定。使用负反馈可以让系统稳定,在这里我们在源极添加小电感作为负反馈。L.一5L=LnHATF54143ATF54143dtX1MaDiGainMajGainl-*5丄2JL=LnH5R=|(11D|i为方便调试将两个电感设为动态用VAR来控制。仿真出来的结果如下图所示，不过稳定性还是小于1,继续更改电感m2freqr2.450GHzStabFac

11、t1=0.&97LrwLLqecn厂帀勺严.09B-1flO-096-freq,GHzmifreq=2.45OGHzMaxGainl-14.S50在工作频率2.42.5GHz里稳定都大于了1。电感L=0.4nH,这个值按具体情况而定，不是一个确定的值，只做参考。m1fnaq=2.450GHzMaxGainl=16.737m2freq-2.400GHzSLabFacL1=1.D0Bm3freq-2.50DGH;StabFact1-1.010恤3/rr/f1M-5958D冊D1OE,0n5D接下来把DC_Feed改成实际器件。选用的是murata的电容和电阻，器件已有，添加如方法和上次添加晶体管方

12、法一样，注意路径不能有中文名。.3HOtiuTlataCompun已口15rarH4uniber=L学10HN3的彌DTspe-HohFrequencyrHd巧GHz?:&jndwidih-O.rfli-ardbsngth=0i65mn-adSpatE-O.Tlnrn上ndu爬r-tiond：di即jnPruiAtaitEntfyflodA6：L9G1BHH3陶SOXHashJrtutncyQJIU1LCi：LaG】EMHP23l：QL：llGe：HKLKSlJl：lnEGieHKLKESiM.3:UJGeMf2KSl：O5:UJG1BJffi3ir3SHKlciFrtguMirKlcJiFr

13、-iu.ecicyKlsIiFrtiu.ecicyKlgliFr*u.n.ryHi戲FrwiiaacyKigliFr*qiiflacyAddCotFtevtVuriTic-rPfiriTiriTiOTilFar十Flnrblia*raLODJiilLOfflUiJ-山讯Hh卜LOENUtJ-LaNBiJ=aoirikXLaQlHiJ-H-/-0.3nHl+/-03tJ(.+/-0.3ItJL+/-0.3tJXnuliUucKcawLi:hicM-?nnLithicN-iaLllllLEHonolitkic_flmnLithi亡竹沿：号或Mfj：杠叩.丸皿)：t.&EcLHJ.t.&LrCH,S

14、.2.300rAXXOIAL3WM】XlflrJlX如。皿LConpaneritQpticatr.llLEpliyp&ru-iaLAtoncLonia!lc圉-VAR.WR1L=DdLL二LnHR=在这里用的旁路电容为1.2pF,旁路电感为3.9nH，输出端的电路串联电感值为22nH，旁路电容为10pF，分装都是0603。muKaLiLWebSetUp讪器件，用于murata的仿真。最后的到的仿真结果为:mlm2freq=2400GHzStabract1-1.0-23m3freqr2.5D0GHzStabFact1=102745DGHZMaxGain1=16.341o50IITTfi13Ill

15、i此时的低频部分已经稳定。这里我们将晶体管源极的两个电感换成微带线。计算公式如下：心竺，其中L为电感值，Z0为特征阻抗，这里Z0它厂用的PCB板是FR4射频板。此处的1为英寸，换算毫米为1英寸=25.4毫米。设微带线宽为0.5mm，特征阻抗为85.150700ohm,可用linecalc计算。最后计算出1为0.672mm，工业生产中没有小数点后三位的精度，所以取0.7mmMSub.MSUB.MSublH=O.SmmEr=44-Mur=1-.Cond=5.&8E-h7._Hu=1.0e+033mmT=0.03&miriTanD=0.02-Rough=0mm-1-Bbase=-再放入一个msub并

16、设置:.Dpeaks=.WV-vwR-saOhmR2.R-337aTm尺.R3.R=500nm.沁H.MSUtJflH-0flmm-f44-Caru=528*7.Hu=1QrtlMmmT-0D35mnildrt-DD2R(n.gh-DmFnSRC1ac=50V丄L&3.10HhfnhfijlAT=54u3-dlMa&ainLn口fmm5iP?m-.5P1”5131=2QH?Sk)-4GHzSiep=iDp*iI-，-SPWAMTEIRS.4UNTL1SlHfl=r-GRJ41白I.PartKumiGRMISfiSCiHiOOJbWM.Qa需.Opeak5=-光血已&-ggZDOimW=0.5m

17、ml_R7mmM3?3ani-m_xpinSjPartMjmtier-tGG1EHN234Jioc_awi-DC9Dck2NETLISTUNC1UDEMURATAIrElUdCrtiuRaftB得到的仿真结果:.Wi.NUIfQL-saaim14treq=2.460GHz5tat)Facl1=1.QZ2m1fraq=2.il5OGHiMaxGair-16.697m2frMl=-2.400GHESlabFartl=1.OI9m3frq2.5DDGHzStabFact1=1.O2&最大增益和稳定系数都还可以。符合要求。使用GRM18替换DC_block再进行仿真，电容为22pF。得到仿真结ml.斗

18、MaxGaini=16020果：m2rreq-2.4MGHStabFact仁1OSB2D12242.63D32Ja3.63Jd.DLgLLg粧rreq.GHz增益和稳定性都还可以。此时以全换成了真实器件。WVNSubR1.*36unm.MSuC：.MSLDlH=06mmEf-4.4Mlf=1CCft3688E*7.Hu=1;De+CL33mT=0ja35rnnilunOadzRrxjghmm-SRCTY*=CiO-VL0G1SHLl刊翊um&er=LQG1SHPf.3N?5CDSiaoTaci.3MIFK513注Facti-2XdB_1tS|-SiParam-5P1GHZSlop=4&4iSf

19、ep-IOMHzotr1m:S-PMIETERSTtrn.TfeirnlNi_rn=12=50OW.MUN.3K2AlSi.t5loV/=ft5rtrnl=D7mmIW-Q5PL-07fflmOTM13-Cfi-亠Par?Nun.hGRIVl1iK5C.1HiaaiACrlEbdlf-Opoa|a=.)l-GF!M13CBPartNLfnwYRMI申半*?：5场Sftin.Wn.Nirn=2MatGain-MhxCsM-.UHiGaiTI=m3K_Q3inS)HETUSTI恥LUDEMURiTOurciudemuR3在这里要注意电容方向别搞反了。仿真噪声系数需要在S参数设置对话框把计算噪声的功

20、能打开。FarthUWD=G上蹶PARAMETERSI勾选calculatenoiseSPsram双击i-=EiTJFB*JlhL倚LiwHgi.qaq.aTEA.*;i,ER3IrajcqaeJ1_3!Hp+!；Lihc进行仿真，添加曲线NFmin看图可以看出4.95GHz时，噪声系数最小。mlfreq=2.490GHzNFimin=0.57&一二lln在出来结果的窗口中选择住ISra爾爾Eqn|今OOOAI中的Eqn，分别输入Eqnindx=fin匸1门dex(SP.fneq.indep(m1)EqncincleData=ns_cincle(NFminindx+030.1:l2JNFmin

21、indx.Soptindx:Rnindx/50J51iEqnGaCircle=ga_drcle(Sind)qpMaxGain1indjq-p.O.SJ,2P3P51)第一句：即返回值是前面定义的ml的频率，即2.45GHz第二句：返回噪声系数圆第三句：返回增益圆接下来选择在plottrace&attributes中,先选好equations选项然后再加入GaCircle和circleData。可得出一下图形:m2indep(m2)51GaCircl8=0.EWB1-157.173gain=15.B56139impedMi：岂二英氏i：005-jtXZClD)m3IGaarcle=0590/-1

22、44737Igain=14.856139I斋ped&nw三西*心282口295)/indep(m4)p：51circleData=0.570/-144.614nsfigure0.576330imped踊他二Z0气0卫99二p曲歸其中m2是LNA有最大增益时的输入端阻抗，此时增益为15.856dBM4是最小的噪声系数，这里是0.57633dB要在噪声系数和增益之间权衡一个数。对于低噪放而言，首先考虑噪声，则输入阻抗为Z0*(0.299-j0.293)。Z0为50ohm。先要取其共轭进行匹配，即Z0*(0.299+j0.293)。添加Smith圆图匹配工具，DA_SmithChartMatch_c

23、ell_3，最终原理图为:SPAMETERSR-.Ri.R-337Ohm-.SP1.Stari=2CHStap=iGHzStap-iOMdiaimLQ31SHeC2E3R012ATF54143ACrl.MUN.TL1ISub-11W=Q5EEiL3!)7-mm-75F-SRJ.,!isJAmrthiZhalMalchJeTq-口制MumbeWOiFJUM-2.AFFO4143.IT里站旦.J岡sjF=KtiStitiFBctlziWJacItfiW=0药nirnLrfi7mmVTOSRC1V*-50V.刚E.M$JD1M-aBmmEf=44-Mlt=1-Com-S+7HU-10e*03aHIT

24、=CI0a6mrFins-r=ataFtouQh-Onini.R.,R3.R=5DiZrirtiPariHunDFGfiM.1&C1M1OCUACnBc&=-Cpeaks-.PaWJdfflE=s,=U2GiariN22TJJODP-artMnntef=rri：l.11Rrm2Num=2HETLISTINCLUDEMURADurKkiiimmij即mcjpGn.lei.GpCnfei=igp_cin：iHJ：S2.51).设置参数在amplifier中选择SmithChartUtility:3DCnridBiasPnn15imdairs3S-ParaEtEfSlmulstng审1-ToneNo

25、ntnearSimuhtcns出2-TcneNani仃皀aSimjlmta仃百3RorrAmplerEanJcs-B?CJ日関ofQttH弟an由AmpirferEtadgijlDeann审Lumpad2-dernentt有himtihingNeluuakc由LumpedMuto-BementZ-fMatmngNe&vorkskitols7?&H5iFtaB泗芒UtiiitySmiChisrtUtiitiMaidingUtilityDismaySimulatonResultsAmplifis-Dsign&jidsCCcunB-tebanAboutAmplrfierDeEignGudeKCunc

26、al进入后直接OK,出现SmithChartUtilityFtEdl学hCrde&H|这个东西大家应该比较熟悉，设置一下参数freq，点击definesource进入NetworkTerminations设置一下阻抗。我们这里采用的是微带线匹配,屋SmHh(Wt用fty=J可以看到此时最接近与50ohm，噪声系数在2.45GHz最小。点击buildADSCircuit生成对应电路。对那个圆图器件使用可以看到匹配的子线路：PINum,-1-1TinTL2OhmZ-5DOhm26E期占auiTF2.45GHzMum主直接复制到原理图FM”.R-MCIwi|.”)I.丄.却=L&Pifl1ijmwG

27、GM2ifl5C2E妙12R2.F-337Olvn丄5RD1-=-XC-5.DV9-PfifTi晌SlBlt-.ZQHZShp-4GH2SfaFMOUHz&5COfimMdTUNTUM.礙駐如Cl.i-eritB-5.fems卩丁血！血界卅呦bcrGfF4阴叭:m：1StBDFa-HStBLFa.fl-：5tBb_lBC.i(fe)apCoRiel.GpCiRta,21.LQGlflhL3“咱IXHkrQGiaHN3HH5MIID1K2.ITTFl吧lit.2sl=NfutlJW-ama-f-L-D7mmATF5Wi-.TL1SuDV-L-5J7mnrT*1=GRM1B-IF-xItJun-0

28、8$Cit-1JU.c.OiLQG13H.L4PhUNutt-srLOQ-l5HHZZHJ01口U5n.Gfl5mmD-D.D2Rou3h=0mra日DpWkB-.由于把电容提前了，所以匹配阻抗改变了，可以使用tuning工具来调节传输线长度以实现匹配。双击传输线，单击tune/Opt/Stat，如图设置：（可适当修改最大最小值的范围）将两段传输线均设置完毕，单击图标，开始Tuning。TurwParametersEifTlUlatE1SnapSIidertoStepTracessendValuesStore.Rec：all.TriceVisibility.ResetY：iLiiesljpda

29、teSchematicClose最后得出的值为上图所示。仿真结果如图:2022242.6293.C2.234102.0iflfrE43,GHz15.9656020-20胡02.0222丄26283.D3.23.43639斗0fteq,GHz可以看出其输出阻抗为40.767+j*15.965ohm，这里和上面的类似，放X入器件，设置参数用圆图进行匹配。SmithChrtMfftchineHe+workiSKTF网l昭卫忙J_ib:DA_SiiLhChar曲虱ch_ll_3IpJ-tel,a.g.L.ZS)5EB，：*Igu.4.titnKd.Ltr.Time/Dpt/5tat/IlQESetup

30、.lactmcisJTimaCjiaiiaTe-L!jadmpEdsinceZ0-50atmIIDlsplayparwreteron5ch5atjchddCutPasieConjorientQptiom.Tp:HatchFi亡quency10E11ApplyC辺cel乌TunePdRiEetersSindlAtahfhilaSlidstYNaz髯?：./._bAL11.j._1.K；L：nnl:、TimePar-sniEtersLaclud?OptPirsnmEnaMe/BisalilH.TL2P7L4ETL57P|Snap5Lid.erto5tpV41t1SL&.936317.典193.33IL.T37|2CL-C45Tra