GPS低噪聲放大器的設計

1、姓名：# 學號：# 班級：1#一、 設計要求1. 中心頻率為1.45GHz，帶寬為50MHz，即放大器工作在1.40GHz-1.50GHz頻率段；2. 放大器的噪聲系數NFdB， S11-10dB，S2215dB。二、 低噪聲放大器的主要技術指標低噪聲放大器的性能主要包括噪聲系數、合理的增益和穩(wěn)定性等。1. 噪聲系數NF放大器的噪聲系數（用分貝表示）定義如下：式中NF為射頻/微波器件的噪聲系數；，分別為輸入端的信號功率和噪聲功率；，分別為輸出端的信號功率和噪聲功率。噪聲系數的物理含義是，信號通過放大器后，由于放大器產生噪聲，使得信噪比變壞，信噪比下降的倍數就是噪聲系數。2. 放大器的增益Gai

2、n在微波設計中，增益通常被定義為傳輸給負載的平均功率與信號源的最大資用功率之比：增益的值通常是在固定的頻率點上測到的，低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配進行設計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，因此增益Gain要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關增益。通常，相關增益比最大增益大概低24dB.3.穩(wěn)定性一個微波管的射頻絕對穩(wěn)定條件是。只有當3個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。三、 低噪聲放大器的設計步驟1. 下載并安裝晶體管的庫文件(1) 由于ADS2008自帶的元器件庫里并沒有ATF54143的元器件模型，所以需要從Avago公司的網站上下載ATF54143.zap,并進入ADS主

3、界面,點擊【File】【Unarchive Project】進行安裝。(2) 新建工程ATF54143_LNA_1_prj,執(zhí)行菜單命令【File】【Include/Remove Projects】將ATF54143_prj添加到新建工程中，這樣新建工程就能使用器件ATF54143了。2. 確定直流工作點低噪聲放大器的設計的第一步是設置晶體管的直流工作點。(1) 在ADS中執(zhí)行菜單【File】【New Design】，在彈出的對話框中的Schematic Design Templates下拉列表中選擇“DC_FET_T”模板，在Name文本框中輸入DC_FET_T，單擊【OK】，這樣DC_FE

4、T控件就被放置在原理圖中了。(2) 在原理圖中放置器件ATF54143,設置DC_FET控件的參數并連接原理圖如圖1所示。圖1 完整DC_FET_T原理圖(3) 仿真得到ATF54143的直流特性圖如圖2所示。(4) 根據ATF54143的數據手冊，如圖3所示，在900MHz時，當Vds=3V,Ids=30mA時Fmin接近最小值，此時增益約為23dB，能滿足設計要求，故設置晶體管的直流工作點為Vds=3V,Ids=30mA.圖2 ATF54143的直流特性圖圖3 ATF54143直流偏置曲線3. 偏置電路的設計(1)創(chuàng)建一個新的原理圖biascircuit,并在原理圖中放入ATF54143的

5、模型和DA_FETBias控件，放入直流源，連接各部件，如圖4所示。圖4 完成后的偏置電路原理圖(2)執(zhí)行菜單命令【Design Guide】【Amplifier】，在彈出的對話框中選擇 Transistor Bias Utility,單擊【OK】，在彈出的對話框中設置相關參數（Vdd=5V,Vds=3V,Ids=30mA）,單擊【Design】將會彈出Bias Network selection對話框，單擊【OK】，ADS將自動生成一個偏置電路，如圖5所示。圖5 偏置子電路(3)取R1=33Ohm,R2=224Ohm,R4=26Ohm,新建原理圖biascircuit1,畫出最終的偏置電路原

6、理圖如圖6所示。圖6 偏置電路原理圖4. 放大器的穩(wěn)定性分析使用穩(wěn)定系數也就是K的“StabFact”控件來判斷電路的穩(wěn)定性。只有絕對穩(wěn)定系數K1,放大器電路才穩(wěn)定。(1)新建原理圖LNA_schematic_1,在該原理圖中添加各種元器件并設置相應參數。注意在放大器的直流和交流通路之間要添加射頻扼流電路（直流通路實質上是一個無源低通電路，使直流偏置信號能傳輸到晶體管引腳，而要抑制射頻信號，實際中一般是一個電感加一個旁路電容接地，在此先用扼流電感【DC_Feed】代替。同時直流偏置信號也不能傳到兩端的Term，需加隔直電容，在此先用隔直電容【DC_Block】代替。）。仿真結果如圖7所示。圖7

7、 最大增益和穩(wěn)定系數K的曲線從圖7中可看出，在1.45GHz時，最大增益為dB,穩(wěn)定系數為K=1.145，小于1，可見該放大器穩(wěn)定。(2)使系統(tǒng)穩(wěn)定的常用方法是添加負反饋，本次設計中將在ATF54143的兩個源極加小電感作為負反饋。一般情況下要反復調節(jié)反饋電感，使其在整個工作頻率范圍內穩(wěn)定。本次設計中Ls最終選為8nH。電路圖如圖8所示。圖8 晶體管加負反饋后的電路圖(3)將理想的DC_Feed、DC_Block元器件改成實際器件，在本設計中選用MuRata(日本村田公司)的電容和電感。(4)將源極的兩個電感換成微帶線的形式（這兩個電感值太小，實際很難做到，而且只要這兩個電感有稍微改變會對整個

8、電路的穩(wěn)定性產生很大的影響。）。利用公式計算得微帶線的實際長度為1.09mm。(5)全部換成實際器件后的原理圖如圖9所示。圖95. 噪聲系數圓和輸入匹配(1) 利用ADS進行仿真得到噪聲系數圓和增益圓如圖10所示。圖10噪聲系數圓和增益圓其中，m4是LNA有最大增益時的輸入端阻抗，m5是LNA有最小噪聲系數時的輸入端阻抗，但是這兩點并不重合，在設計時必須在增益和噪聲系數間做一個權衡。對于低噪聲放大器首先要考慮的是最小噪聲,那么這里最優(yōu)的輸入端阻抗為m5點的阻抗*(0.081+61),其中定為50Ohm，則輸入端的阻抗為4.05+j*13.05 Ohm。為了達到最小噪聲系數，在晶體管輸入端要滿足

9、最佳源反射系數的要求，而整個電路的輸入阻抗為=50 Ohm，所以需要輸入匹配網絡把(為m5處阻抗的共軛，即j*13.05 Ohm)變換到輸入阻抗50 Ohm，輸入匹配框圖如圖11所示。圖11輸入匹配框圖(2) 利用ADS進行仿真，采用微帶線匹配，得到輸入匹配電路。(3) 將輸入匹配子電路復制到原理圖中，并將隔直電容移到源端，此時噪聲最優(yōu)化點已經偏離50 Ohm，現在需要調節(jié)輸入匹配電路微帶線的長度來補償。(4) 用Tuning工具來調節(jié)兩段傳輸線的長度，在Tuning時觀察數據窗口的相關曲線的變化以達到理想效果。最后，把TL3和TL4的電長度分別調到和時可以得到一個好的噪聲系數和輸入反射系數，

10、結果如圖12所示。圖12 Tuning后的S參數曲線6. 最大增益的輸出匹配(1) 在ADS中利用Zin控件得到電路的輸出阻抗為150.998-j*16.276 Ohm，為了達到最大增益，需要利用輸出匹配電路將50 Ohm匹配到150.998+j*16.276 Ohm。其中輸出匹配框圖如圖13所示。圖13 輸出匹配框圖(2) 利用ADS進行仿真，采用微帶線匹配，得到輸出匹配電路。(3) 將輸出匹配子電路復制到原理圖中，并將輸出端的耦合電容放到輸出端，利用Tuning工具進一步調節(jié)，仿真結果如圖14所示，此時，。圖14輸出匹配后的仿真結果7. 匹配網絡的實現(1)利用LinCale工具計算出四段

11、匹配微帶線的物理長度如下表所示：其中實際微帶線的寬度為。（2）將所有的理想微帶線全部換為實際物理長度的微帶線。微帶線換成實際物理尺寸后仍然可以通過Tuning來進行微調。(4) 在電源處加3個電容，分別為1uF，10pF。原理圖如圖15所示，仿真結果如圖16和圖17所示。圖15 完整的LNA電路原理圖圖16 最終S參數曲線圖17 最終穩(wěn)定系數和噪聲參數曲線8. 版圖的設計對于分立的電容、電感、電阻等器件，可以采用ADS軟件自帶的分立器件的封裝。ADS軟件沒有ATF54143晶體管的layout封裝，可在ADS的layout界面里繪制ATF54143的版圖。板子尺寸：5.41cm*5.12cm。最終生成的版圖如圖18和圖19所示。圖18生成的版圖圖19局部版圖四、 設計總結低噪聲放大器的原理圖設計是一個反復調諧優(yōu)化的過程。本設計采用噪