基于ADS寬頻低噪聲放大器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(論文)

1、基于ads寬頻低噪聲放大器的設(shè)計摘要 選用噪聲較小、增益較高且工作電流較低的放大管atf55143，利用兩種負(fù)反饋和寬帶匹配技術(shù)，結(jié)合ads軟件的輔助設(shè)計，研制出寬帶低噪聲放大器。該放大器成本較低，體積較小，可應(yīng)用于各種微波通訊領(lǐng)域。介紹了射頻寬帶放大器的設(shè)計原理及流程。設(shè)計實現(xiàn)的射頻寬帶低噪聲放大器，采用分立器件和微帶線匹配，選用agilent公司生產(chǎn)的低噪聲增強(qiáng)贗配高電子遷移率晶體管atf55143，用ads軟件進(jìn)行設(shè)計、仿真和優(yōu)化。由于設(shè)計頻帶覆蓋了多個通信常用頻點。因此決定此低噪聲放大器的應(yīng)用會十分廣泛。最后利用protel99軟件對電路進(jìn)行了版圖設(shè)計，并在fr4基板上實現(xiàn)了該設(shè)計，給

2、出了設(shè)計結(jié)果。為了降低接收前端的噪聲，設(shè)計并制作一種超寬帶低噪聲放大器?；谪?fù)反饋技術(shù)和寬帶匹配技術(shù)，利用avago atf-54143 phemt 晶體管設(shè)計了放大器電路。運(yùn)用ads2009 對重要指標(biāo)進(jìn)行仿真及優(yōu)化。實測結(jié)果表明，在0.12.0 ghz 范圍內(nèi)，其增益大于36 db，平坦度小于3 db，噪聲系數(shù)小于1.2 db，工作電流小于60 ma，駐波比小于1.8。該放大器性能良好，滿足工程應(yīng)用要求，可用于通信系統(tǒng)的接收機(jī)前端。關(guān)鍵宇：低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；匹配；電子技術(shù)；超寬帶；微波通訊；超寬帶；負(fù)反饋。design of wideband low noise amplifier

3、based on ads software simulationabstracta new ultra-broad band low noise amplifier (lna) was developed to use atf55143 amplifier tube which has low noise、high gain and low operating current, based on two negative feedbacks and wideband impedance matching technologies and ads software subsidiary desi

4、gn. this lna can be widely used in microwave communication areas.design philosophy of the rf wide-band low noise amplifier is presentedthe fabricated low noise amplifier is cascaded with both of detached devices and micro-strip matching networkthis design uses the chip of agilent phemt atf-551m4andi

5、s simulated with agilent ads software this lna is fabricated on the fr4 with pcb drawn by protel99sethe final test data is also providedto reduce the noise of receiving front-ends，the design and fabrication of an ultra-wide band low noise amplifier(lna)，were presented based on negative feedback and

6、wide band matching technologies. the amplifier tube atf-54143 made by avago was chosen for this design，whose key indexes were simulated and optimized by using ads2009. the test results indicate that the lna shows the gain above 36 db, flatness below 3 db, operating current below 60 ma and noise figu

7、re less than 1.2 db, with low cost and small volume. the good performance of this amplifier satisfies the requirement of engineering application，and it can be applied to the receiver front-end of communication systems.keywords：low noise amplifier；noise figure；match；electron technology; ultra-broad b

8、and; microwave communication；ultra-wide band； negative feedback.目錄摘要第一章 前言 (1)1.1 低噪聲放大器的簡介 (1)1.2 低噪聲放大器的發(fā)展現(xiàn)狀 (1)1.3 本課題的研究方法及主要工作 （2）1.4 ads軟件的介紹 （2）1.5 小結(jié) （3）第二章 晶體管atf55143小信號模型的提取 （4）2.1 小信號模型的意義和作用 （4）2.2 atf55143的靜態(tài)工作點 （4）2.2.2 直流分析dc tracing （5）2.3 偏置電路的設(shè)計 （9）2.4 小信號模型的提取 （11）2.4.1小信號模型的提取的案

9、 （12）2.4.2小信號模型提取的步驟 （15）3 低噪聲放大器的設(shè)計 （23）3.1 低噪聲放大器電路設(shè)計與仿真 （23）3.1.1 設(shè)計目標(biāo)以及器件和偏置條件選定 （23）3.1.2 基于ads寬頻低噪聲放大器的設(shè)計方案 （23）3.1.3 穩(wěn)定性分析 （24）3.2 偏置電路以及負(fù)反饋電路的設(shè)計 （25）3.2.1 偏置電路 （25）3.2.1 負(fù)反饋電路 （26）3.3 阻抗匹配 （29）3.3.1 微帶線匹配 （29）3.3.2 分立lc阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) （32）3.4 整體電路的仿真與分析 （36）3.5 pcb的設(shè)計與其電路的仿真 （38）3.6小結(jié) （38）參考文獻(xiàn) （41）1

10、前言1.1 低噪聲放大器簡介低噪聲微波放大器（lna）已廣泛應(yīng)用于微波通信、gps 接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對抗、射電天文、大地測繪、電視及各種高精度的微波測量系統(tǒng)中，是必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于射頻接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來自天線的低電壓信號進(jìn)行小信號放大。前級放大器的噪聲系數(shù)對整個微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的增益將決定對后級電路的噪聲抑制程度，它的線性度將對整個系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產(chǎn)生重要影響。對低噪聲放大器的基本要求是：噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定性好、足夠的帶寬和大的動態(tài)范圍。 advanced design system(ads)軟件是agilen

11、t公司在hp eesof eda軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善的大型綜合設(shè)計軟件，它功能強(qiáng)大，能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計，廣泛應(yīng)用于通信、航天等領(lǐng)域，是射頻工程師的得力助手。本文著重介紹如何使用 ads 進(jìn)行低噪聲放大器的仿真與優(yōu)化設(shè)計。1.2低噪聲放大器的發(fā)展現(xiàn)狀從上個世紀(jì)60年代中期開始，由于平面外延工藝的發(fā)展，雙極晶體管的工作頻率跨進(jìn)微波頻段，平面外延晶體管的工作頻率達(dá)到1ghz以上，出現(xiàn)了微波雙極晶體管及其相應(yīng)的放大器，而同時伴隨著場效應(yīng)晶體管（fet）理論的提出，包括金屬絕緣柵半導(dǎo)體fet (如mosfet) 、結(jié)型場效應(yīng)晶體管(jfet) 、金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管(mesfet) 和

12、近代的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管(hetero-fet) ,如hemt等隨之出現(xiàn)。近幾年來，隨著材料生長技術(shù)（比如分子束外延和分子化學(xué)蒸發(fā)沉積）和新型器件結(jié)構(gòu)可靠性的提高，開始從更高的輸出功率和效率方面改善器件的功能。這種新的技術(shù)發(fā)展水平功率gaas hfet器件擁有基于異質(zhì)結(jié)化合物algaas 、gaas ingap、 gaas、inalas、ingaas的結(jié)構(gòu)。雙極結(jié)型晶體管器件被引入異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制成hbt。目前微波 hbt 的截止頻率達(dá)到了200 ghz ,因此在微波、低噪聲、超高速及低功耗方面具有很大的優(yōu)越性。異質(zhì)結(jié)不但能夠構(gòu)成雙極型晶體管,還可以構(gòu)成場效應(yīng)晶體管,即異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管(hfet) 。這

13、種器件提供高柵漏和柵源擊穿電壓，門偏壓降低到夾斷電壓接近恒量的跨導(dǎo)，適度高的最大溝道電流能夠得到高效率的器件推動高電子遷移率晶體管（hemt）的問世，其低噪聲性能比場效應(yīng)管更優(yōu)越并大量投入商用。3在c波段其噪聲溫度可達(dá)25k左右，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星接收。目前國外8 mm以下的hemt己商品化，在極低噪聲的許多應(yīng)用領(lǐng)域已取代gaas mesfet，而且在微波/毫米波功率應(yīng)用中也越來越引人注目。由于hfet在工藝制造過程中要精確控制薄層結(jié)構(gòu)、陡峭的摻雜梯度以及采用更難加工的半導(dǎo)體材料,制造一個hemt要比gaas mesfet的花費昂貴得多,隨著技術(shù)的進(jìn)步和科技的發(fā)展,人們對高性能低成本的hemt需求

14、更大。很多公司為了滿足這一需求,除了在技術(shù)方面投資以外,逐漸開始在提高h(yuǎn)emt性價比上增加投入。值得注意的是，國外單片集成(mmic)微波器件發(fā)展很快，這是一種在幾平方毫米砷化鎵基片上集成的微波放大器，其體積小、噪聲系數(shù)一般增益高。1996年，trw公司k.w kabayashi等人研制出了s波段的hemthbt單片集成接收機(jī)。該系統(tǒng)包括一個二級hemt低噪聲射頻放大器、一級hemt本征放大器和hbt雙平衡混頻器，三者均集成在同一片材料上，該hemthbt的mmic系統(tǒng)利用hemthbt選擇性mbeic技術(shù)，代表了當(dāng)今最好的ic技術(shù)，充分展示了超越于單純mmic和混合集成技術(shù)的優(yōu)點。我們發(fā)現(xiàn)微

15、波晶體管低噪聲放大器的巨大變革通常是隨著微波放大器件的產(chǎn)生和工藝技術(shù)的改進(jìn)而發(fā)展的。相對于國外，由于國內(nèi)的制作工藝起步較晚，國內(nèi)有源電路技術(shù)指標(biāo)的快速提高受到了限制。但是，總體說來，除了高度集成工藝外，國內(nèi)外總的設(shè)計手段是相差不大的，在研制方法上，國內(nèi)與國外也是基本相同的。1.3 本課題的研究方法及主要工作低噪聲放大器是無線接收機(jī)前端的重要部分，其主要作用是放大微弱信號，盡量使放大器引入的噪聲減小。由于它處于接收機(jī)放大鏈的前端，因此，對整個系統(tǒng)來講是非常重要的。它的噪聲系數(shù)、增益和線性度等指標(biāo)對整個射頻接收機(jī)系統(tǒng)的性能有重要影響，其中噪聲系數(shù)幾乎決定了整個接收機(jī)的噪聲性能。接收機(jī)靈敏度公式如下

16、所示： （1.1）式中：k為波爾茲曼常數(shù)，t0為溫度，b為帶寬，(s0/n0)min是系統(tǒng)正確解調(diào)出接收信號所需的最小輸出信噪比，fn為噪聲系數(shù)。由上式可以看到，在影響接收機(jī)靈敏度的幾個因素中，在常溫下t0是不變的，帶寬b和(s0/n0)min是由接收機(jī)結(jié)構(gòu)決定的。當(dāng)然也可以通過改變接收機(jī)結(jié)構(gòu)來改變b和(s0/n0)min或者采用低溫來降低t0，本課題主要討論噪聲系數(shù)對接收機(jī)靈敏度的影響，不考慮溫度的影響。1.4 ads軟件的介紹ads是由美國安捷倫科技公司（agilent technologies）推出的微波電路和通信系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)（advanced design system，ads）

17、仿真軟件，是當(dāng)今業(yè)界最流行的微波射頻電路、通信系統(tǒng)和rfic設(shè)計軟件，也是國內(nèi)高校、科研院所和大型it公司使用最多的軟件之一。其功能強(qiáng)大，仿真手段豐富。可實現(xiàn)包括時域與頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真功能，并可對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，提高復(fù)雜電路設(shè)計效率，是優(yōu)秀的微波射頻電路、系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計工具，是射頻工程師必備的工具軟件之一。其最新版軟件ads2009可加速通信產(chǎn)品的設(shè)計速度。1.5 小結(jié)本課題對低噪聲放大器的多種設(shè)計方法進(jìn)行了研究，查閱了大量的資料，總結(jié)了前輩的設(shè)計經(jīng)驗，運(yùn)用美國agilent公司的高級設(shè)計軟件 ads2009 仿真，首先確定了晶體管atf5514

18、3的靜態(tài)工作點，求得了晶體管atf55143在一個直流偏置情況下的小信號電路的模型。然后設(shè)計了一個在0.1ghz- 3.0ghz的頻率范圍內(nèi)滿足指標(biāo)要求的低噪聲放大器，利用smith圓圖設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，較詳細(xì)的研究了偏置電路和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，并且對偏置電路對整個電路的影響進(jìn)行了討論。2 晶體管atf55143的小信號模型的提取2.1 小信號模型的意義和作用所謂晶體管模型,是指用一組理想的基本電路元件,即電阻器、電容器、電感器、受控電源等,去組合不同的連接去模擬晶體管,也就是通常所說的晶體管等效電路。模型的建立,是晶體管電路分析和設(shè)計中的關(guān)鍵問題。一方面,在許多實際問題中,通常使用計算機(jī)進(jìn)行分析和

19、設(shè)計,可以取比較精確或者說比較復(fù)雜的模型,以提高計算精度;另一方面,在教學(xué)過程中,為了抓住主要矛盾,搞清楚問題的實質(zhì),在手算的情況下,常忽略一些次要因素,模型力求簡單。實際上,在不同的條件、分析目地、精度的要求下,在晶體管工作信號不同的幅度和頻率下,晶體管可以用不同的模型去模擬,即有不同的等效電路。例如,晶體管運(yùn)用在低頻小信號狀況下的t 型等效電路,h參數(shù)等效電路;高頻電路里的n型等效電路,y參數(shù)等效電路;計算機(jī)分析和設(shè)計中常用的emi模型,emz模型等等,真是五花八門。同時,即使是對同一種模型而言,在具體的電路分析中,我們還可以根據(jù)不同的條件、精度要求舍去一些不影響問題實質(zhì)的參數(shù),這就要求在

20、分析和處理具體問題時對問題的實質(zhì)有比較清楚的認(rèn)識。為了澄清對晶體管模型的一些模糊認(rèn)識,下面討論晶體管小信號等效電路的兩種生成方法,并說明在晶體管模型建立過程中應(yīng)注意的問題。2.2晶體管atf55143的直流工作點2.2.1 下載并安裝晶體管的庫文件（1）ads2009自帶的元器件庫里沒有atf55143元器件模型，可以直接從avago公司的網(wǎng)站下載（atf55143.zap）。然后進(jìn)入ads主界面，執(zhí)行菜單命令【file】然后點擊【unarchive project】,如圖2-1所示。圖2-1 釋放zap文件的菜單命令（2） 彈出的“unarchive project”對話框如圖2-2所示，選

21、擇“atf55143.zap”文件，把它釋放到需要存放的路徑，釋放后生成一個atf55143_prj的ads工程，值得注意的是解壓路徑最好不要采用中文；否則，可能報錯。 圖2-2 釋放zap文件的對話框（3） 執(zhí)行（2）之后ads2009自動生成了一個工程“atf55143_010407_prj”，這樣就也可以在工程中使用晶體管atf55143的庫文件了。2.2.2 直流分析dc tracing設(shè)計lna的第一步是確定晶體管的直流工作點（1） 在ads中，執(zhí)行菜單命令【file】然后點擊【new design】,打開“new design”對話框。在“schematic design temp

22、lates”下拉列表中選擇“dc_fet_t”模版，在“name”文本框中輸入“dc_fet_t”，如圖2-3所示。如圖2-3新建dc_fet_t原理圖（2）單擊【ok】按鈕，可以看到“dc_fet”控件已經(jīng)放置在原理圖中了，如圖2-4所示。圖2-4 dc_fet_t原理圖（3） 單擊圖標(biāo)，打開元器件列表庫，如圖2-5所示。圖2-5 打開元器件庫列表（4） 在原器件庫表里面可以看到，剛添加進(jìn)來的atf55143的模型已經(jīng)包含在lan工程里面了，可以像其他元器件一樣調(diào)用，如圖2-6所示。將鼠標(biāo)右鍵單擊放置atf55143_dt。圖2-6 元器件庫列表（5） 設(shè)置dc_fet控件的參數(shù)，在atf5

23、5143的datasheet里面，如圖2-7所示，可以看到atf55143的vgs為0.3-07v。圖2-7 atf55143的電氣性能最大值（6） 根據(jù)圖2-7可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并用連接原理圖，完成后的原理圖如圖2-8所示。圖2-8 完整dc_fet_t原理圖圖2-8中dc_fet中的各項參數(shù)含義如下：vgs_start：起始柵極電壓vgs_stop：終止柵極電壓vgs_points：柵極電流值的采樣點數(shù)目vds_start:初始漏-源電壓vds_start:終止漏-源電壓vds_points:初始漏-源電壓值的采樣點數(shù)目（7） 單擊仿真按鈕圖標(biāo)開始仿真。結(jié)果如圖2-9所示。圖2-9 atf

24、55143的直流特性 從atf55143的數(shù)據(jù)手冊，可以看到噪聲vds和ids的關(guān)系，如圖2-10所示，從而確定靜態(tài)工作點。 圖2-10 atf55143的直流偏置曲線 從圖中可以看出，在2ghz時，當(dāng)vds=2.7v且ids=30ma時，fmin接近最小值。此時增益大約為19db，能滿足設(shè)計要求，那么晶體管的直流工作點就設(shè)為vds=2.7v,ids=30ma。2.3 偏置電路的設(shè)計（1） 創(chuàng)建一個新的原理圖，命名為“biascircuit”。在原理圖中放入atf55143的模型和“da_fetbias”控件，如圖2-11所示。圖2-11 偏置電路原理圖（2）放入直流電源，連接各部件如圖2-1

25、2所示。圖2-12 完成后的偏執(zhí)電路原理圖（3）執(zhí)行菜單命令【design guide】點擊【amplifier】,彈出放大器設(shè)計導(dǎo)向?qū)υ捒颍x擇“transistor bias utility”,單擊【ok】按鈕，彈出“transistor biass utility”對話框，輸入前面確定的晶體管直流工作點vdd=3v,vds=2.7v，ids=30ma(注意：atf55143的封裝上有兩個柵極ids=30ma,相加就是id=60ma),如圖2-13所示。圖2-13 transistor bias utility的設(shè)置(4) 單擊【design】按鈕，彈出“bias network sele

26、ct”對話框，在“bias network select”對話框里有三個偏執(zhí)電路可以選擇。有兩個網(wǎng)絡(luò)里面，晶體管的源極是有電阻的，但通常lan的設(shè)計中，s級只接反饋電感（微帶線），所以選用第一個偏置網(wǎng)絡(luò)。(5)完成篇之網(wǎng)絡(luò)選擇后，可以通過選擇“da_fetbias_1”控件，再單擊圖標(biāo)，來看偏執(zhí)電路，如圖2-14所示。圖2-14 偏置子電路 從圖中可以看出，r2和r4的電阻都不是常規(guī)標(biāo)稱值，他們僅是理論計算的結(jié)果。后面會用相近的常規(guī)標(biāo)稱值代替。（6） 單擊仿真按鈕進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后，執(zhí)行菜單命令【simulation】單擊【annotate dc solution】可以看到仿真結(jié)果。在這里可

27、以看到vds=2.7v,id=60ma,就是當(dāng)初設(shè)置的偏置結(jié)果。執(zhí)行菜單命令【simulation】單擊【annotate dc solution】，可以看到原理圖中各節(jié)點的電壓電流，如圖2-15所示。（7）新建原理圖命名為“biascircuit2”。添加各種元件和控件，并照圖2-14所示畫好偏置電路如圖2-16所示。圖2-15 晶體管各端偏置電壓電流圖2-16 偏置電路原理圖2.4 小信號模型的提取2.4.1小信號模型的提取的方案 由avago公司給的模型里給出的晶體管atf55143的模型如圖2-17所示，以及圖2-20晶體管的小信號模型所示。要想求atf55143的小信號模型，首先應(yīng)該

28、去掉atf55143模型中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，求得mesfetm管子（如圖2-18所示是晶體管atf55143模型中的mesfetm管子的模型參數(shù)）的s參數(shù)。然后通過參數(shù)轉(zhuǎn)化以及相應(yīng)的計算，如圖2-19所示，求得intrinsic device的y參數(shù)，最后通過計算得到和偏置相關(guān)的本征元件的各個值。圖2-17 晶體管atf55143的模型圖2-18 mesfetm管子參數(shù)圖2-19 求intrinsic device的y參數(shù)過程 圖fig.2.1和圖fig.2.2給出了相應(yīng)的hemt器件小信號等效電路模型,其中圖fig.2.1為立體結(jié)構(gòu)，圖fig.2.1為平面結(jié)構(gòu)。等效電路模型元件大體上可以分為以下兩

29、部分：圖2-20晶體管小信號模型等效電路和偏置相關(guān)的本征元件：gm,gds,cgs,cgd,cds,ri,和。和偏置無關(guān)的寄生元件：lg，ld，ls，rg，rs，rd，cpd，cpg，和cpdg。圖2-19 atf55143的等效模型由avago公司給的模型里給出的atf55143的參數(shù)模型里如圖所示。和偏置無關(guān)的寄生元件的值為：rd=2.025 ohm，rg=2.9 ohm，rs=0.675 ohm，lg=0.094 nh，其余的： ld，ls， cpd，cpg，和cpdg的值都為零。和偏置相關(guān)的本征元件的計算方法如下：gm=re(y21) (2.41)gd=re(y21) (2.42)cg

30、d=-im(y12) (2.43)cgs=im(y11+y12)d/ (2.44)cds= im(y11+y12)/ (2.45)ri=re(y11)d/(cgs) (2.46)=-im(y21)/(gm)-ricgs-cgd/gm (2.47)where d=1+re(y11)/ (im (y11)+ im (y12)2 (2.48)2.4.2小信號模型提取的步驟（1） 新建原理圖命名為“tuopucircuits”,添加各種元件和控件，按照avago公司給出的atf55143的模型如圖2-17畫出atf55143模型的拓?fù)潆娐啡鐖D2-21所示。圖2-18 晶體管atf55143模型的拓?fù)浣Y(jié)

31、構(gòu)（2） 單擊仿真按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的控件，放置s11、s12、s13、s14、s15、s16、s21、s22、s23、s24、s25、s26、s31、s32、s33、s34、s35、s36、s41、s42、s43、s44、s45、s46、s51、s52、s53、s54、s55、s56、s61、s62、s63、s64、s65、s66等s參數(shù)，如圖2-22所示。圖2-22 拓?fù)潆娐返膕參數(shù)（3） 執(zhí)行菜單命令【tools】然后單擊【data file tool】,彈出dftool/mainwindow對話框，在“out file name”單擊【browse】選擇路

32、徑并命名為“tuopucircuits.s6p”文件，在【dataset name】選擇“tuopucircuits”如圖2-23所示。圖2-23 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)s參數(shù)導(dǎo)出對話框 （4）單擊【write to file】,新建電路原理圖“biascircuit3”，添加偏置電路原理圖2-16各個元件，再在控件下拉菜單里選擇“data items”庫文件，然后單擊控件，將“de_embedsn”改為“de_embedsn6”，將（3）導(dǎo)出的s6p文件導(dǎo)入“de_embedsn6”控件中，然后重新連接原理圖如圖2-23所示。圖2-23 去嵌入電路原理圖（5） 單擊s參數(shù)仿真控件，設(shè)置仿真參數(shù)，在para

33、meters選中計算s、y、z參數(shù)。單擊仿真按鈕，執(zhí)行仿真，仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示窗自動彈出。在數(shù)據(jù)顯示視窗中，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的數(shù)據(jù)列表圖，插入數(shù)據(jù)顯示方式，顯示s參數(shù)和z參數(shù)，z參數(shù)如圖2-24所示。 圖2-24 atf5143小信號模型的z參數(shù)（7） 單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的的方程控件，輸入要計算的intrinsic device的z參數(shù)命名為z111，根據(jù)公式插入或輸入各項參數(shù)，如圖2-25b所示。由于是角頻率，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的的方程控件，輸入計算表角頻率的公式如圖2-25a所示。并將計算得到的參數(shù)通過equations插入到計算z111的方程里。圖2-25a 寫入方程對話

34、框圖2-25b 寫入z111方程對話框 同理放入計算z112、z121、z122的方程如圖2-26所示。得到intrinsic device的z參數(shù)如圖2-27所示。 圖2-26 計算intrinsic device z參數(shù)的方程圖2-27 intrinsic device z參數(shù)（8） 在ads中通過z參數(shù)和y參數(shù)轉(zhuǎn)化公式如圖2-28所示，將z參數(shù)轉(zhuǎn)化為y參數(shù)，得到intrinsic device的y參數(shù)如圖2-29所示。圖2-28 intrinsic device y參數(shù)圖2-29 intrinsic device y參數(shù)（9） 選中（8）中計算出來的y參數(shù)，單擊右鍵滑到export,點擊

35、【csv file】按鈕，導(dǎo)出y參數(shù)如表2-1所示。f/ghzy11y12y21y2200.004 - j8.953e-40.792 - j0.2380.792 - j0.2380.138 - j0.0020.1-0.003 - j0.027-1.482 + j0.005-1.482 + j0.005-0.002 - j0.0270.2-0.0005852 - j0.013-1.245 + j0.526-1.245 + j0.526-0.000059 - j0.0130.3-0.0002053 - j0.008-0.267 + j0.503-0.267 + j0.5035.857e-4 - j

36、0.0080.4-0.00006709 - j0.005-0.058 + j0.162-0.058 + j0.1620.001 - j0.0050.51.439e-6 - j0.003-0.026 + j0.049-0.026 + j0.0490.001 - j0.0030.64.602e-5 - j0.001-0.012 + j0.011-0.012 + j0.0110.002 - j0.0020.78.126e-5 - j8.27e-5-0.001 - j2.893e-4-0.001 - j2.89e-40.003 - j5.884e-40.81.080e-4 + j0.0010.008

37、- j0.0020.008 - j0.0020.002 - j6.109e-40.91.264e-4 + j0.0020.015 - j7.704e-40.015 - j7.704e-40.003 - j2.922e-51.01.388e-4 + j0.0030.021 + j0.0030.021 + j0.0030.003 + j4.438e-41.11.475e-4 + j0.0040.025 + j0.0060.025 + j0.0060.003 + j7.569e-41.21.554e-4 + j0.0050.029 + j0.0090.029 + j0.0090.003 + j0.0

38、011.31.629e-4 + j0.0050.032 + j0.0120.032 + j0.0120.003 + j0.0011.41.703e-4 + j0.0060.035 + j0.0150.035 + j0.0150.003 + j0.0011.51.777e-4 + j0.0070.037 + j0.0180.037 + j0.0180.003 + j0.0021.61.854e-4 + j0.0070.039 + j0.0210.039 + j0.0210.003 + j0.0021.71.933e-4 + j0.0080.040 + j0.0240.040 + j0.0240.

39、003 + j0.0021.82.016e-4 + j0.0090.041 + j0.0260.041 + j0.0260.003 + j0.0021.92.104e-4 + j0.0090.043 + j0.0290.043 + j0.0290.003 + j0.0022.02.196e-4 + j0.0100.044 + j0.0310.044 + j0.0310.003 + j0.0032.12.247e-4 + j0.0110.044 + j0.0340.044 + j0.0340.004 + j0.0032.22.299e-4 + j0.0110.045 + j0.0360.045

40、+ j0.0360.004 + j0.0032.32.355e-4 + j0.0120.046 + j0.0390.046 + j0.0390.004 + j0.0032.42.415e-4 + j0.0120.046 + j0.0410.046 + j0.0410.004 + j0.0032.52.480e-4 + j0.0130.047 + j0.0430.047 + j0.0430.004 + j0.0032.62.550e-4 + j0.0130.047 + j0.0450.047 + j0.0450.004 + j0.0032.72.628e-4 + j0.0140.048 + j0

41、.0480.048 + j0.0480.004 + j0.0042.82.714e-4 + j0.0150.048 + j0.0500.048 + j0.0500.004 + j0.0042.92.810e-4 + j0.0150.048 + j0.0520.048 + j0.0520.004 + j0.0043.02.917e-4 + j0.0160.048 + j0.0540.048 + j0.0540.004 + j0.004表2-1 intrinsic device y參數(shù)（10） 通過2.4.1中和偏置相關(guān)的本征元件的計算公式計算的到各個小信號模型和偏置相關(guān)的本征元件的參數(shù)如表2-2

42、所示。f/ghzgmcgd(pf)cgs(pf)cds(pfri()1/rd(0.1-1.482 6.28e+08-0.422 7.96182.0-35.01.192 -0.002 0.2-1.245 1.26e+09-1.884 419.0408.0408.0-0.002 0.000 0.3-0.267 1.88e+09-2.793 267.0263.0263.0-0.001 0.001 0.4-0.058 2.51e+09-1.885 64.562.362.5-0.003 0.001 0.5-0.026 3.14e+09-0.917 15.614.714.60.001 0.001 0.6-

43、0.012 3.77e+090.291 2.92e38.82.390.315 0.002 0.7-0.001 4.40e+09-0.250 0.0658-49.8-0.200.998 0.003 0.80.008 5.02e+09-0.051 0.398-21.7-0.520.991 0.002 0.90.015 5.65e+090.143 0.13618.4-0.1410.988 0.003 1.00.021 6.28e+090.240 0.4784.640.5480.794 0.003 1.10.025 6.91e+090.310 0.8693.580.9780.596 0.003 1.2

44、0.029 7.54e+090.375 1.193.331.330.442 0.003 1.30.032 8.16e+090.429 1.473.261.590.360 0.003 1.40.035 8.79e+090.486 1.713.311.820.279 0.003 1.50.037 9.42e+090.538 1.913.412.120.221 0.003 1.60.039 1.01e+100.600 2.093.442.290.191 0.003 1.70.040 1.07e+100.634 2.253.562.430.159 0.003 1.80.041 1.13e+100.67

45、4 2.303.612.480.141 0.003 1.90.043 1.19e+100.705 2.433.652.600.127 0.003 2.00.044 1.26e+100.773 2.473.692.710.116 0.003 2.10.044 1.32e+100.800 2.583.792.810.100 0.004 2.20.045 1.38e+100.848 2.603.752.820.094 0.004 2.30.046 1.44e+100.891 2.703.852.910.083 0.004 2.40.046 1.51e+100.915 2.723.822.920.07

46、9 0.004 2.50.047 1.57e+100.957 2.743.852.930.073 0.004 2.60.047 1.63e+101.000 2.763.822.940.070 0.004 2.70.048 1.70e+101.042 2.833.913.070.064 0.004 2.80.048 1.76e+101.083 2.843.933.070.060 0.004 2.90.048 1.82e+101.125 2.863.913.080.059 0.004 3.00.048 1.88e+100.000 2.873.943.080.056 0.004 表2-2 和偏置相關(guān)

47、的本征元件的參數(shù)3 低噪聲放大器的設(shè)計低噪聲放大器（lna）是現(xiàn)代微波通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要部件，它處于接收系統(tǒng)的前端，對天線接收到的微弱射頻信號進(jìn)行線性放大，同時抑制各種噪聲干擾，提高系統(tǒng)靈敏度。由于lna在接收系統(tǒng)中的特殊位置和作用，該部件的設(shè)計對整個接收系統(tǒng)的性能指標(biāo)起著關(guān)鍵作用。當(dāng)今低噪聲放大器主要采用單片微波集成電路（mmic）技術(shù)，將所有有源器件（如雙極性晶體管或場效應(yīng)晶體管）和無源器件（如電阻器、電感器、電容器和傳輸線等）全部集成在一塊半導(dǎo)體晶片上，以實現(xiàn)低噪聲放大功能，具有尺寸小、重量輕、成本低及可靠性高的特點。本章介紹了一種寬帶低噪聲放大器的設(shè)計方法。設(shè)計時首先根據(jù)性

48、能指標(biāo)要求選擇合適的有源器件，確定相應(yīng)的工作狀態(tài)和偏置條件及器件的穩(wěn)定狀態(tài)，然后合理設(shè)計匹配電路和負(fù)反饋電路，最后對整體電路進(jìn)行優(yōu)化。3.1 低噪聲放大器電路設(shè)計與仿真3.1.1 設(shè)計目標(biāo)以及器件和偏置條件選定設(shè)計目標(biāo)如下：工作頻率0.1ghz2.0ghz增益gain36db駐波比vswrin1.5，vswrout1.5平坦度3db 在單級放大器設(shè)計中選用atf-55143, 該器件自身的噪聲系數(shù)很小, 有現(xiàn)成的ads器件模型, 且為e-phemt器件, 在放大器的偏置電路設(shè)計中只需一種電源( 3v)即可。采用vds =2. 7v和ids =30ma的直流偏置條件, 能夠滿足放大器設(shè)計的增益要

49、求。3.1.2 基于ads寬頻低噪聲放大器的設(shè)計方案考慮指標(biāo)增益要求,由于工作電流和尺寸大小的限制，30 db 的增益只能用兩級放大來實現(xiàn)（如果用三級放大，不僅尺寸要求難以保證，工作電流難以滿足，而且容易自激振蕩）?？紤]到設(shè)計的簡潔性和經(jīng)濟(jì)性, 兩級中的每一級都選用同一類型的放大器, 在單級設(shè)計完成之后進(jìn)行級聯(lián)。兩級級聯(lián)放大器由第一級放大、級間匹配和第二級放大三部分組成, 其中第一級和第二級都由單級放大器設(shè)計完成。單級放大器主要由輸入輸出匹配和放大部分構(gòu)成。在單級放大器設(shè)計中, 由于頻率范圍要求較寬,可以采用(頻率補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或)負(fù)反饋技術(shù)，設(shè)計方案如圖3-1所示。圖3-1 放大器的設(shè)計網(wǎng)

50、絡(luò)圖3.1.3 穩(wěn)定性分析 用ads對器件atf- 55143的穩(wěn)定性進(jìn)行分析, 觀察器件在設(shè)計要求的頻率范圍內(nèi)和選定的偏置條件下是否保持絕對穩(wěn)定。一般來說,一個微波管的射頻絕對穩(wěn)定條件是： 其中，d=s11s22-s12s21。k為穩(wěn)定性判別系數(shù)，k1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng)三個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。 實際設(shè)計時，為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作，還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。對于潛在不穩(wěn)定的放大器，至少有兩種可選擇的途徑避開。（1）引入電阻匹配元器件，k1和gmaxgms。（2）引入反饋，使k和gmaxgms。 在實際設(shè)計中，為改善射頻微波管自身穩(wěn)定性，有以下幾種方法。（1）

51、串接阻抗負(fù)反饋 在mesfet的源級和地之間接一個阻抗元器件，從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。對于雙極晶體管，則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元器件接地。在實際微波放大電路中，電路尺寸大小，外接阻抗器件難以實現(xiàn)。因此反饋元器件常用一段微波線來代替，相當(dāng)于電感元器件的負(fù)反饋。（2） 用鐵氧體隔離器 鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線與放大器之間，假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減器為，反向衰減器為，且1，1，則 。其中為隔離器前的反射系數(shù)，為加隔離器后的反射系數(shù)。（3） 穩(wěn)定衰減器 型阻抗衰減器是一種簡易可行改善放大器穩(wěn)定性的器件，通常接在低噪聲放大器末級輸入口，有時也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級間。由于衰減器是阻型衰減，因此不能加在輸

52、入口或前級的級間，以免影響噪聲系數(shù)。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加型阻抗衰減器，對改善穩(wěn)定性相當(dāng)有效。3.2 偏置電路以及負(fù)反饋電路的設(shè)計因為在第二章求atf55143的靜態(tài)工作點時，已經(jīng)確定了一個直流電路。所以我們只要在這個基礎(chǔ)上設(shè)置放大器的偏置電路既可。新建原理圖命名為“l(fā)an_schematic_1”,添加各種元器件并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后的原理如圖5-24所示。3.2.1 偏置電路（1）因為要進(jìn)行s參數(shù)的仿真，所以添加了很多控件。其中“term”是端口，一般阻抗默認(rèn)為50 ohm；“stabfact”控件是穩(wěn)定系數(shù)，也就是k，在這里要求k0；“maxgain”是最大增益控件（注意不是實際增益，實際增益看s21）；“s-paraments”控件里設(shè)置仿真的參數(shù)。圖3-2 加入理想直流扼流和射頻扼流的原理圖 另外，放大器的直流和交流之間的通路要添加射頻射頻直流電路，它的實質(zhì)是一個無源低通電路，使直流偏置信號（低頻信號）能傳輸?shù)?/p>