根據ADS的低噪放大器設計

1、xxx 研究生射頻電路課程報告基于 ADS的低噪放大器設計學 生：xxx學 號：xxx指導教師：xxx專 業(yè)：電子與通信工程XxxxxxO 一三年目錄1 引言1.21.31.4低噪聲放大器設計理論低噪聲放大器設計步驟本次設計主要性能指標 小結 2 低噪聲放大器設計2.1 晶體管的選擇和下載2.2 直流分析 2.3 偏置電路的設計 2.4 穩(wěn)定性分析 2.5 噪聲系數圓和輸入匹配2.6 最大增益的輸出匹配2.7 匹配網絡的實現 2.8 原理圖仿真 2.9 小結 目錄. 8121415151引言1.1低噪聲放大器設計理論低噪聲放大器的設計目標就是在選擇適當的晶體管后，通過設計合適的輸入 輸出匹配網

2、絡來達到極低的噪聲系數的同時獲得一定的增益，通常在設計中采用折中的方案來達到設計要求。在 LNA的設計中，需要考慮的最重要的幾個因素 如下：放大器的穩(wěn)定性：設計射頻放大器時，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。在設計中，絕對穩(wěn)定系數K必須大于1，放大器才能達到絕對穩(wěn)定。放大器的功率增益：對輸入信號進行放大是放大器最重要的任務，因此在放 大器的設計中增益指標的完成很是重要，而我們通常所說的增益主要指轉換功率 增益Go放大器輸入輸出駐波比：駐波比反映了信源與晶體管及晶體管與負載之間的 失配程度，所以設計時要求駐波比要保持在特定指標之下。放大器的噪聲：對放大

3、器來說，噪聲的存在對整個設計有重要影響，在低噪 聲的前提下對信號進行放大是對放大器的基本要求。1.2低噪聲放大器設計步驟 晶體管的選擇、下載與安裝； 直流分析； 偏置電路設計； 穩(wěn)定性分析；噪聲系數圓和輸入匹配；匹配網絡的實現； 原理圖仿真。1.3本次設計主要性能指標中心頻率fo=5.8GHz ；帶寬 B=300MHz ；增益 G=15dB；噪聲系數Nf小于等于3dB;Zin=Zout=50Q。1.4 小結本次對低噪聲放大器的設計， 使用 Agilent 公司的高級設計軟件 ADS2009 仿 真，首先確定了 ATF35176晶體管的靜態(tài)工作點，得到晶體管 ATF35176在直流 偏置情況下的

4、小信號電路的模型，然后設計了一個在中心頻率為 5.8GHz 滿足指 標要求的低噪聲放大器。2低噪聲放大器設計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絡的設計。HP公司的ATF35176是一種低噪聲砷化傢 PHEMT器件，在理想的工作點下，在12GHz 以下噪聲系數為0.75 dB以下，是一款適用于工作在218 GHz的低噪聲放大器， 所以本設計選擇了此種晶體管。另外考慮放大器的增益指標，由于ATF35176單級增益可以達到為18dB,而本設計要求增益達到15dB，所以只需要單級電路就 可以達到指標。ADS2009自帶的元器件庫里含有ATF35176元器件模型，

5、不需要下載和安裝。2.2直流分析設計第一步是確定晶體管的直流工作點，根據ATF35176的datasheet®置DC_FET控件的參數，連接原理圖后進行仿真。從ATF35176的數據手冊可以得到噪聲Vds和Ids的關系，從而確定靜態(tài)工作點。在 6GHz時，當Vds=3V且 lds=20mA時，此時增益大約為16dB，能滿足設計要求，那么晶體管的直流工作 點就設為 Vds=3V，ds=20mA。SytrijbelAbuliMUf屈eueNDrain-ScKjroft Volta學g+4 Vg3 VDisin CurrentIdIJrot*! Power D 黏 ipaten “PtZS

6、SmWPF Inpyt Ipgwef4-lOicSmCMfirtel Tfmperadre1i|：NStortg* irimEwsTrtfjreSTG椿150迄圖 2.1 ATF35176 的 datasheetFFT Qiiws Trnt er3塔DramSIM1VGS_9(arT3iiVQS畑=3VGS_pd«i(s.i5VDS_5lafl0VDS_5(Op=4 4)S_poinTs=JiI強I Ute Jw., aiYpiflmpI ”DC_FET_T"抽XI圖2.2直流分析原理圖1圖2.3 ATF35176的直流特性2.3偏置電路的設計創(chuàng)建一個新的原理圖，在原理圖中

7、放入 ATF35176的模型和DA_FETBias控 件，選擇Transistor Bias Utility設置偏置電路的屬性。仿真后有三個偏置電路可 以選擇。有兩個網絡里面，晶體管的源極是有電阻的，但通常低噪放大器的設計 中，源級只接反饋電感（微帶線），所以選用第一個偏置網絡。選定網絡后，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)標稱值，僅是理論計算結果，用相近的常規(guī)標稱值代替。Kidui- h. if5士 Type-冊 ET/ Id-J 口 mA vt-圖2.4偏置電路原理圖0 二一圖2.5偏置子電路I .f.XI7 I GnnVfci.CiV=7-

8、斗 or*s 圖2.6完成后的偏置電路原理圖MaxGain。放大器的直流2.4穩(wěn)定性分析1.進行S參數的仿真，添加控件Term、StabFac、和交流之間的通路要添加射頻直流電路,它的實質是個無源低通電路,使直流偏置信號能傳輸到晶體管引腳，而晶體管的射頻信號不能進入直流通路,在這里先用【DCFeecU直流電感代替。同時，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。jjgi-m 1.gr:ln.E_kt;SLtnF«iJr圖2.7加入理想直流扼流和射頻扼流的原理圖； !IJ:IB-hlatf 罰圖2.8最大增益和穩(wěn)定系數曲線OGHi I iRlj

9、i eSOGhiM蟲矽IhFT黔 iMJtfGal帛二 10 pgE11f595G5h b伽刖訐Ji 了矇rEL仿真結束后，顯示 MaxGain1和Stabfacti兩個圖表中觀察，從圖2.8我們可 以看出，在5.8GHz時，最大增益為18.042dB，穩(wěn)定系數為K=0.646,絕對穩(wěn)定 系數K< 1,說明電路不穩(wěn)定。2.當電路不穩(wěn)定時，可以采用負反饋電路形式解決問題，提高絕對穩(wěn)定系數。 本次設計中在漏極添加串聯(lián)電感作為負反饋。 通過反復調節(jié)反饋電路，也就是串 聯(lián)電感的數值，使其在整個工作頻率范圍內穩(wěn)定。晶體管源級添加負反饋后的原理圖K_1-：Aacg圖2.9I略BOOTG吃WF3rt1

10、 = 1 njinlf罟5朗OGH£ MainaioiriowmiD fieq=J tSOGMzn11rteF5 950GnzUfiidp怖5 TTl最大增益和穩(wěn)定系數曲線圖 2.10然后用給定的電3.接下來把理想的DC Feed DC Block和源極的兩個電感改成實際的器件 和微帶線。本設計選用MuRata（日本村田公司）的電感和電容。本設計中電源部分 用了扼流電感LGQ18和GRM18，對射頻信號進行阻隔和旁路。感值算出等效的傳輸線的長度（丨二118上，其中L是電感值即Z。廠0.3nH，Zo 是微帶線特征阻抗，得到l=0.58mm ）。全部換成真實器件和微帶線后, 益基本達到要

11、求。穩(wěn)定系數和增圖2.11全部換成真實器件后的原理圖-呼0m2rpri'lrum(leqiJSOOCHi SEtf3：n=1 091網巧射OCH上HaxGainl=t41D國piMDC血|Mar：m1=1S 丁田HeqiSDSOGHiMHK£in1l=ia 121e圖2.12最大增益和穩(wěn)定系數曲線5, £je Ei ID 62 e* £占2 DJ th E二=A 俺 13 eCH、E1r屮2.5噪聲系數圓和輸入匹配當最大增益和穩(wěn)定系數達到指標后，接下來就要設計一個適當的輸入匹配網絡來實現最小噪聲系數。先進行仿真，在數據顯示窗口面板，輸入等式：f-皿幀稠刃田

12、lEffflPii I Lmirn舊HUffljAMfeiK I a ciiiinniunmn醐ui n圖2.13輸入等式它們代表的意思分別是返回值是前面定義的m1的頻率，即5.8GHz;返回噪聲系數圓；返回增益圓。/和 GaCircle2.14 circleData查看史密斯圓圖,5cCin:e= l£77 . 125 偌 押iL隨ijfrtawlagfl 丘匸亠】-U.弓HZQflFl盤fU斗肖5W pednfr - H ' 口一&34 - p JE&：的史密斯圓圖選擇合適的阻抗值，在設計時，必須在增益和噪聲系數之間做一個權衡，而低噪放大器，首先要考慮最小

13、噪聲系數。那么最優(yōu)的輸入端阻抗就定為 m5點的阻抗(43.15+j*25.60 Q)，通過使用DA_Smith Chart Match工具,對電路進行輸入匹配。z.o®佔PpUQhT mm 隹MP OhHii4F當4 Mni ：T rr - <- I-=PlrtNunlwrnVI Sffi :;A2XJA- * E如皿m圖 2.14 加入 DA Smith Chart Match 工具7“s -m* * fi.j-.ijJiJ 亠*fri*-'dlu-t LldB "-I *1：lk_ig>r 勺dJ tr 4*1 u卬二“伽 to u r H p f=

14、X Smjrqr£n-fbt-TrrfT- 縮F；S葉ILg ± Ti-I 9屮SujrueFib±'Z3curu.5-Lp ur<chlc«nn='S|kll 3砂黛* III *1腫5 LoftJT菲jr= C<""ip* I呻記inrt l6frnw*=-riJ*Pl.印 14蘆« rilfU4'-iEILL-l rt-l a-1 pFTi .嚴4Vk-*nm r_.IL 【刖 R*IK'U>NC kiuljiL n I- -1 i-圖 2.15 設置 DA_Smith

15、 Chart Match 參數ISJ hittwcx t T-rrrr rwtiona丿 3h11b L*iid TM-rrMiiBR弓UUIPU ipvUKU HuLaCii；vulhd n 呼 duilb!(" uThJI Irduih1 日.La21J± _ L *； |L l_. LI - I Ik FHE1 L： t：; r-.：ISSrliei-iELE PlidhU F*F riflutt trf44 *SiarCfl 快rtifl/ithti "iLl t±4 ".be i*c-Aitti tS h« bbii dii

16、J*名 MiJ Irt-df h杠 vsnii-t n Itt “f Rn«f «*/. J lh 5«q Ik b-u I Tl«- 2 Icid. locL :LcLfacn Z 口m hiolofl hillba Edt.血iwpcHo/ aiwl込 Etxdbdr.i 屯他m -I'ic 5 ibui 電鬥imi彳站 M”dir1cotf CoiictL I圖 2.16 設置 Smith Chart Utility工具的阻抗Nf P4r-11爲客I圏誌4 卜園H ItejiC rid. g.JECh7T3J 1 iMdbgS.hfi>

17、;4 F" IIC L-x-l i J I-Ah I h-tf II / '、/、alJ r 2.B|rlwVra »ntetr ZWk IW訃PrJil<i S«JiEhv4 l| .uial*iT«|- I!> *-iLfe|小J1Ibk.bSiikin、微帶線匹配圖 2.17 Smith Chart Utility1713圖2.18匹配子線路圖2.19匹配后輸入阻抗EDOG Hz1)-IS 233L1mA7 禮h片二C訂三-二二応.三te冒!rfl圖 2.20 Tuningm3 hKTf OOQ-Iz SUM-<0-1 T

18、tJ目t.-l圖 2.21 Tuningri7 hEtFSSDOGHz d日占燈903.J#-J.、 /:r氣-D-.d1 /Lii C2EJ后仿真結果1:-D-l-JJ-P. J r1r A*9 喘 山 t S9' *'a ' sL ( s f:"rtl Ef后仿真結果2片J*ikJ白 r MDt2.6最大增益的輸出匹配輸出端的匹配需要此時晶體管的輸出端阻抗，插入Zin控件，查看輸出阻抗配要50 Q匹配到Zin的共軛。的實部和虛部，得到輸出阻抗為 28.109-j*12.593 Q,為了達到最大增益，輸出匹通過使用 DA_Smith Chart Match工

19、具，對電路進行輸出匹配。mTrfq.SaOOOHlin&fBaHZril-F2£.1O9 w 壯fr«4>5£OOOHL i 三IE ag (Zjrt 1 鶴- 輸-Kf-fl an bJ *-1 et 呂 fl M 附？ fi圖2.22輸出阻抗的曲線IH" P= r- B ' *-) IE«A ir - f w 4 .*1t 3 f怕<McT1« CB-fc'備ill I jj; *" rn .If* kn|_R"di，i X屮FzHb zTi i，LW還-tjhfhI斗=h.

20、 pmt-jsl 2glJu曰'If 十iH."drL»F1l*1pdrin-rL 14"p plrr"wiit' li r*LCorvIks Irrgpj I'liica Lik«dl-liAtlF - IkkiFLh = L 7 Cl L pFLmadnh-TV "“ *.- 3.riSMirnsri IrE'qMP.j-u. I di i-HT-.IB-譏4h Ft LfMYh圖 2.23 設置 Smith Chart Utility工具的參數Snifre T嚴Him*L«fedCar

21、p1 u Dp hiJuif*TIftxL -fet L n-TZ =1 en JD9-J=QbrR -wnM. y卜 1r-IErt=c -Iv"iH-Ili 訂二-II -'1'Lc r|fl-ni氐"、11'XA 口y 1 怦 d 1 1段.m,L .上If-111._V jL-L+X-pT «SCqpLkfPdc-t L E_cfar «h*Lti*r bd w Ed u- c-i l-i m i na L L «. Kill ph* lE-.fc inp-fe lu zh nl C.U. L,ii 工 >

22、E-. J 1 «dL ihv k- n-D J kd"* of kq N v Z 1 1 rti l1 :Oi Qixr Tti. iL*d.嘴t嘴gp- ib* +*71 Abjti葉 百】1二 iLi-? l-irkj pi-*nrU 氐*L /=L«.dB ba-iib«nd E-vc dw tn LLl I u v lul-L a .« a.v.ln n- k.工具的輸出阻抗圖 2.24 設置 Smith Chart UtilityM* k -v A;京G 431 JJ> |fs*祚fflr 'Yl-DC &齣如

23、I3C« I 癒 j-.K« k i'Ub I 】w.if*r* .“IiLfem9Fmwfe r ":：>-TE- Irii ?«=! /yE L.X L.J 町<n>K.ISi 0 AIM *. 叩 Miff*Uih圖 2.25 Smith Chart Utility微帶線匹配-OB： -P1 -.Num=1Z-50 OhmE=15 4aF=5.EGHz圖 2.26Tl 陶-TL2i =M Cihm-E = 34.1.4 .F=S a GHzoPor -P2 -Num =2匹配子線路m?丘SHOOGHz dB缶（1 11匸72仝"圖 2.27 Tuning后仿真結果3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|匚一 b/ /£,/=-1 1 L 1 1 1 1 Pi ' 1 r 1 Tr匚 q