基于ADS低噪放大器設(shè)計(jì)

1、xxx 研究生射頻電路課程報(bào)告基于 ADS 的低噪放大器設(shè)計(jì)學(xué) 生：xxx學(xué) 號：xxx指導(dǎo)教師：xxx專 業(yè)：電子與通信工程Xxxxxx二 O 一三年十一月 1目目 錄錄目目 錄錄.11 1 引言引言.2 21.1 低噪聲放大器設(shè)計(jì)理論 .21.2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)步驟 .21.3 本次設(shè)計(jì)主要性能指標(biāo) .21.4 小結(jié) .32 2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)低噪聲放大器設(shè)計(jì).4 42.1 晶體管的選擇和下載.42.2 直流分析.42.3 偏置電路的設(shè)計(jì).52.4 穩(wěn)定性分析.62.5 噪聲系數(shù)圓和輸入匹配.82.6 最大增益的輸出匹配.122.7 匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn).142.8 原理圖仿真.152.9

2、小結(jié).15 21 引言1.1 低噪聲放大器設(shè)計(jì)理論 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是在選擇適當(dāng)?shù)木w管后，通過設(shè)計(jì)合適的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)來達(dá)到極低的噪聲系數(shù)的同時(shí)獲得一定的增益，通常在設(shè)計(jì)中采用折中的方案來達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在 LNA 的設(shè)計(jì)中，需要考慮的最重要的幾個(gè)因素如下： 放大器的穩(wěn)定性：設(shè)計(jì)射頻放大器時(shí)，必須優(yōu)先考慮電路穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是指放大器抑制環(huán)境變化維持正常工作特性的能力。在設(shè)計(jì)中，絕對穩(wěn)定系數(shù) K必須大于 1，放大器才能達(dá)到絕對穩(wěn)定。 放大器的功率增益：對輸入信號進(jìn)行放大是放大器最重要的任務(wù)，因此在放大器的設(shè)計(jì)中增益指標(biāo)的完成很是重要，而我們通常所說的增益主要指轉(zhuǎn)換功率增益 G。 放大器

3、輸入輸出駐波比：駐波比反映了信源與晶體管及晶體管與負(fù)載之間的失配程度，所以設(shè)計(jì)時(shí)要求駐波比要保持在特定指標(biāo)之下。 放大器的噪聲：對放大器來說，噪聲的存在對整個(gè)設(shè)計(jì)有重要影響，在低噪聲的前提下對信號進(jìn)行放大是對放大器的基本要求。1.2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)步驟 晶體管的選擇、下載與安裝； 直流分析； 偏置電路設(shè)計(jì)； 穩(wěn)定性分析； 噪聲系數(shù)圓和輸入匹配； 匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)； 原理圖仿真。1.3 本次設(shè)計(jì)主要性能指標(biāo) 中心頻率 fo=5.8GHz； 帶寬 B=300MHz； 增益 G=15dB； 噪聲系數(shù) Nf 小于等于 3dB； Zin=Zout=50。 31.4 小結(jié) 本次對低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，使用

4、Agilent 公司的高級設(shè)計(jì)軟件 ADS2009仿真，首先確定了 ATF35176 晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)，得到晶體管 ATF35176 在直流偏置情況下的小信號電路的模型，然后設(shè)計(jì)了一個(gè)在中心頻率為 5.8GHz 滿足指標(biāo)要求的低噪聲放大器。 42 低噪聲放大器設(shè)計(jì)2.1 晶體管的選擇和下載低噪聲放大器的性能取決于有源器件的噪聲特性和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。HP 公司的 ATF35176 是一種低噪聲砷化鎵 PHEMT 器件，在理想的工作點(diǎn)下，在12GHz 以下噪聲系數(shù)為 0.75 dB 以下，是一款適用于工作在 218 GHz 的低噪聲放大器，所以本設(shè)計(jì)選擇了此種晶體管。另外考慮放大器的增益指標(biāo)，由

5、于ATF35176 單級增益可以達(dá)到為 18dB，而本設(shè)計(jì)要求增益達(dá)到 15dB，所以只需要單級電路就可以達(dá)到指標(biāo)。ADS2009 自帶的元器件庫里含有 ATF35176 元器件模型，不需要下載和安裝。2.2 直流分析設(shè)計(jì)第一步是確定晶體管的直流工作點(diǎn)，根據(jù) ATF35176 的 datasheet 設(shè)置DC_FET 控件的參數(shù)，連接原理圖后進(jìn)行仿真。從 ATF35176 的數(shù)據(jù)手冊可以得到噪聲 Vds 和 Ids 的關(guān)系，從而確定靜態(tài)工作點(diǎn)。在 6GHz 時(shí)，當(dāng) Vds=3V且 Ids=20mA 時(shí)，此時(shí)增益大約為 16dB，能滿足設(shè)計(jì)要求，那么晶體管的直流工作點(diǎn)就設(shè)為 Vds=3V，ds=

6、20mA。圖 2.1 ATF35176 的 datasheet圖 2.2 直流分析原理圖 5圖 2.3 ATF35176 的直流特性2.3 偏置電路的設(shè)計(jì) 創(chuàng)建一個(gè)新的原理圖，在原理圖中放入 ATF35176 的模型和 DA_FETBias控件，選擇 Transistor Bias Utility 設(shè)置偏置電路的屬性。仿真后有三個(gè)偏置電路可以選擇。有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)里面，晶體管的源極是有電阻的，但通常低噪放大器的設(shè)計(jì)中，源級只接反饋電感（微帶線） ，所以選用第一個(gè)偏置網(wǎng)絡(luò)。選定網(wǎng)絡(luò)后，得到了偏置子電路，按照子電路畫出偏置原理圖，其中偏置子電路中一些電阻值不是常規(guī)標(biāo)稱值，僅是理論計(jì)算結(jié)果，用相近的常規(guī)標(biāo)

7、稱值代替。圖 2.4 偏置電路原理圖圖 2.5 偏置子電路 6圖 2.6 完成后的偏置電路原理圖2.4 穩(wěn)定性分析1.進(jìn)行 S 參數(shù)的仿真，添加控件 Term、StabFact、MaxGain。放大器的直流和交流之間的通路要添加射頻直流電路，它的實(shí)質(zhì)是一個(gè)無源低通電路，使直流偏置信號能傳輸?shù)骄w管引腳，而晶體管的射頻信號不能進(jìn)入直流通路，在這里先用【DC_Feed】直流電感代替。同時(shí)，直流偏置信號不能傳到兩端的Term，需加隔直電容， 【DC_Block】隔直電容代替。圖 2.7 加入理想直流扼流和射頻扼流的原理圖 7圖 2.8 最大增益和穩(wěn)定系數(shù)曲線仿真結(jié)束后，顯示 MaxGain1 和 S

8、tabfact1 兩個(gè)圖表中觀察，從圖 2.8 我們可以看出，在 5.8GHz 時(shí)，最大增益為 18.042dB，穩(wěn)定系數(shù)為 K=0.646，絕對穩(wěn)定系數(shù) K1，說明電路不穩(wěn)定。2.當(dāng)電路不穩(wěn)定時(shí)，可以采用負(fù)反饋電路形式解決問題，提高絕對穩(wěn)定系數(shù)。本次設(shè)計(jì)中在漏極添加串聯(lián)電感作為負(fù)反饋。通過反復(fù)調(diào)節(jié)反饋電路，也就是串聯(lián)電感的數(shù)值，使其在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定。圖 2.9 晶體管源級添加負(fù)反饋后的原理圖圖 2.10 最大增益和穩(wěn)定系數(shù)曲線 83.接下來把理想的 DC_Feed、DC_Block 和源極的兩個(gè)電感改成實(shí)際的器件和微帶線。本設(shè)計(jì)選用 MuRata(日本村田公司)的電感和電容。本設(shè)計(jì)中

9、電源部分用了扼流電感 LGQ18 和 GRM18，對射頻信號進(jìn)行阻隔和旁路。然后用給定的電感值算出等效的傳輸線的長度（，其中 L 是電感值即 0.3nH，ZO rOZL81.11=l是微帶線特征阻抗，得到 l=0.58mm） 。全部換成真實(shí)器件和微帶線后，穩(wěn)定系數(shù)和增益基本達(dá)到要求。圖 2.11 全部換成真實(shí)器件后的原理圖圖 2.12 最大增益和穩(wěn)定系數(shù)曲線2.5 噪聲系數(shù)圓和輸入匹配 當(dāng)最大增益和穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到指標(biāo)后，接下來就要設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)妮斎肫ヅ渚W(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)最小噪聲系數(shù)。先進(jìn)行仿真，在數(shù)據(jù)顯示窗口面板，輸入等式：圖 2.13 輸入等式 9它們代表的意思分別是返回值是前面定義的 m1 的頻率，

10、即 5.8GHz；返回噪聲系數(shù)圓；返回增益圓。圖 2.14 circleData 和 GaCircle 的史密斯圓圖查看史密斯圓圖，選擇合適的阻抗值，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須在增益和噪聲系數(shù)之間做一個(gè)權(quán)衡，而低噪放大器，首先要考慮最小噪聲系數(shù)。那么最優(yōu)的輸入端阻抗就定為 m5 點(diǎn)的阻抗（43.15+j*25.60） ，通過使用 DA_Smith Chart Match 工具，對電路進(jìn)行輸入匹配。圖 2.14 加入 DA_Smith Chart Match 工具 10圖 2.15 設(shè)置 DA_Smith Chart Match 參數(shù)圖 2.16 設(shè)置 Smith Chart Utility 工具的阻抗圖

11、2.17 Smith Chart Utility 微帶線匹配 11圖 2.18 匹配子線路圖 2.19 匹配后輸入阻抗圖 2.20 Tuning 后仿真結(jié)果 1圖 2.21 Tuning 后仿真結(jié)果 2 122.6 最大增益的輸出匹配 輸出端的匹配需要此時(shí)晶體管的輸出端阻抗，插入 Zin 控件，查看輸出阻抗的實(shí)部和虛部，得到輸出阻抗為 28.109-j*12.593，為了達(dá)到最大增益，輸出匹配要 50 匹配到 Zin 的共軛。通過使用 DA_Smith Chart Match 工具，對電路進(jìn)行輸出匹配。圖 2.22 輸出阻抗的曲線圖 2.23 設(shè)置 Smith Chart Utility 工具

12、的參數(shù)圖 2.24 設(shè)置 Smith Chart Utility 工具的輸出阻抗 13圖 2.25 Smith Chart Utility 微帶線匹配圖 2.26 匹配子線路圖 2.27 Tuning 后仿真結(jié)果 3 14圖 2.28 Tuning 后仿真結(jié)果 42.7 匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)理想微帶線，其參數(shù)只有特性阻抗、電長度和頻率，需要換算成實(shí)際的標(biāo)明物理長度的微帶線，使用 ADS 自帶的工具 LineCalc，所有微帶線的特征阻抗都是 50。電長度（degrees）特征阻抗（ohm）物理長度（mm）TH581.437505.9912TH659.2375011.678TH775.224506.1

13、036TH854.3165022.486表 2.1 微帶線的電長度和物理長度圖 2.29 低噪聲放大器的總電路圖 152.8 原理圖仿真 經(jīng)過以上各部分的設(shè)計(jì)，將匹配網(wǎng)絡(luò)添加到低噪放大電路中，得到完整的低噪放電路，進(jìn)行仿真。圖 2.30 總仿真結(jié)果圖 穩(wěn)定系數(shù)矩形圖中 StabFact1 的曲線可以看出，穩(wěn)定系數(shù) K 在頻率范圍內(nèi)大于 1，說明放大器在頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定，滿足絕對穩(wěn)定的要求。 在 nf(2)的曲線可以看出，低噪聲放大器的噪聲系數(shù)在 4.8GHz-6.8GHz 的范圍內(nèi)都在 1.2dB 以下，滿足設(shè)計(jì)要求中要求的噪聲系數(shù)小于 3 的指標(biāo)。在 S 參數(shù)矩形圖中可以看出增益系數(shù) S21，在 5.65GHz-5.95GHz 頻率范圍內(nèi)，增益的最小值為 S21min=15.0