ADS設(shè)計(jì)低噪聲放大器

低噪聲放大器設(shè)計(jì)的依據(jù)和步驟：滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)：噪聲系數(shù)(或噪聲溫度)；功率增益；增益平坦度；工作頻帶；動(dòng)態(tài)范圍；輸入、輸出為標(biāo)準(zhǔn)微帶線，其特征阻抗均為50□步驟：放大器級(jí)數(shù)(為了便于設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)，我們選擇一級(jí))晶體管選擇電路拓樸結(jié)構(gòu)電路初步設(shè)計(jì)用CAD軟件(如ADS2009)進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化、仿真模擬低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo).LNA的噪聲系數(shù)和噪聲溫度放大器的噪聲系數(shù)NF可定義如下NF-S^N^Sout/Nout式中，NF為微波部件的噪聲系數(shù)；Sin,Nin分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率；Sout,Nout分別為輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。通常，噪聲系數(shù)用分貝數(shù)表示，此時(shí)NF(dB)=10lg(NF)放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度Te來表達(dá)。噪聲溫度Te與噪聲系數(shù)NF的關(guān)系是Te=T0(NF-1)式中，To為環(huán)境溫度，通常取為293K。.LNA的功率增益、相關(guān)增益與增益平坦度微波放大器功率增益有多種定義，比如資用增益、實(shí)際增益、共扼增益、單向化增益等。對(duì)于實(shí)際的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和負(fù)載都是50a標(biāo)準(zhǔn)阻抗情況下實(shí)測的增益。實(shí)際測量時(shí)，常用插入法，即用功率計(jì)先測信號(hào)源能給出的功率P"再把放大器接到信源上，用同一功率計(jì)測放大器輸出功率P2,功率增益就是PP2GPi

低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)的。噪聲最佳匹配點(diǎn)并非最大增益點(diǎn)，因此增益G要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大增益大概低2-4dBo功率增益的大小還會(huì)影響整機(jī)噪聲系數(shù)，下面給出簡化的多級(jí)放大器噪聲系數(shù)表達(dá)式：Nf2-Nf3-11=Nf1一一f1GiGiG2其中：Nf-放大器整機(jī)噪聲系數(shù);Nf1,Nf1,Nf2,Nf3一分別為第1,2,3級(jí)的噪聲系數(shù);G-G—分別為第12級(jí)功率增益。從上面的討論可以知道，當(dāng)前級(jí)增益G1和G2足夠大的時(shí)候，整機(jī)的噪聲系數(shù)接近第一級(jí)的噪聲系數(shù)。因此多級(jí)放大器第一級(jí)噪音系數(shù)大小起決定作用。作為成品微波低噪音放大器的功率增益，一般是20—50dB范圍。增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏，常用最高增益與最小增益之差，即々(dB)表示。.工作頻帶不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪音要滿足要求，并給出各頻點(diǎn)的噪音系數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍的上限是受非線性指標(biāo)限制，有時(shí)候要求更加嚴(yán)格些，則定義為放大器非線性特性達(dá)到指定三階交調(diào)系數(shù)時(shí)的輸入功率值。.動(dòng)態(tài)范圍是指低噪音放大器輸入信號(hào)允許的最小功率和最大功率的范圍。動(dòng)態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。當(dāng)放大器的噪聲系數(shù)Nf給定時(shí)，輸入信號(hào)功率允許最小值是：Pmin=Nf(kT0fm)M其中：Afm-微波系統(tǒng)的通頻帶(例如中頻放大器通頻帶)；M-微波系統(tǒng)允許的信號(hào)噪聲比，或信號(hào)識(shí)別系數(shù)；To-環(huán)境溫度，293K。.端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設(shè)計(jì)的，其結(jié)果會(huì)偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會(huì)很好。此外，由于微波場效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。.穩(wěn)定性當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1(即|r1<1,72<1)時(shí)，不管源阻抗和負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱為絕對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對(duì)條件穩(wěn)定的放大器，其負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作。定義：suficient1=1-S112-S12S21suficient2=1—S222-S12S21

2,2,necessary二1—陽1「一怛2斗+S11S22—S12S21necessary二2S12S21|放大器在后輸入平面上絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件為suficientl>0necessary>1放大器在昭輸入平面上絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件為suficient20necessary>1性能指標(biāo)Frequency2.0GHzTOC\o"1-5"\h\zSourceimpedance50OhmGain>10dNoisefactor<2dBStablityUnconditonal晶體管選擇在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我從網(wǎng)上搜索和下載了很多device的s2p文件和datasheet在眾多的器件中選擇一個(gè)合適的晶體管對(duì)后面的設(shè)計(jì)很重要，因此在選擇器件上我也花了很多時(shí)間，力求能選得合適。最后我采用了NEC的2SC5507(NE661M04),它具有頻率高、噪聲低、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。2SC5507提供的Datasheet提供了寬頻段的S參數(shù)，ADS設(shè)置中也選用S參數(shù)模型，因?yàn)橛肧參數(shù)模型比較精確，而且各種資料也詳細(xì)，比較方便。雖然在設(shè)計(jì)上我估計(jì)是能符合性能指標(biāo)的，不過這里我沒有考慮晶體管的價(jià)格問題，所以有可能殺雞用牛刀”了，沒有充分發(fā)揮器件的性能，但是對(duì)于我們初學(xué)者，這個(gè)問題可以先不予考慮，主要是為了學(xué)習(xí)和掌握設(shè)計(jì)的方法。下面是2SC5507的s2p文件：/**********************************************/**NECCompoundSemiconductorDevicesLtd.August2002NE661M04/2SC5507NPNSiliconTransistorVce=2VIc=5mA#GHzSMAR50!fS11S21S12S22!GHzMAGANGMAGANGMAGANGMAGANG0.100.820-4.710.440173.80.00080.80.970-4.10.200.820-9.210.280168.80.01075.30.940-7.10.300.800-13.810.090164.20.01075.00.920-9.40.400.790-18.09.890159.80.01074.10.900-11.50.500.780-22.49.730155.60.02072.20.880-13.4

0.600.760-26.69.550151.50.02070.40.870-15.40.700.740-31.19.360147.40.02068.00.850-17.30.800.720-35.39.190143.50.03066.60.840-18.90.900.700-39.49.010139.60.03064.90.820-20.81.000.680-43.68.820135.80.03063.30.800-22.41.100.660-47.98.670132.00.03061.20.780-23.91.200.630-51.98.460128.60.04060.70.770-25.51.300.610-56.28.270124.80.04058.70.750-26.91.400.580-60.38.070121.50.04057.80.730-28.41.500.560-64.77.910117.90.04056.30.720-29.71.600.530-68.97.720114.50.04055.50.700-31.01.700.510-73.37.540111.30.05053.80.690-32.31.800.490-77.67.350108.20.05053.40.670-33.61.900.460-82.07.180105.00.05051.90.650-34.92.000.440-86.77.000102.00.05051.60.640-36.12.100.420-91.66.83098.90.05049.60.620-37.22.200.400-96.56.66095.90.05049.60.610-38.22.300.380-101.96.49092.90.05048.30.600-39.52.400.360-107.66.32090.00.05047.40.580-40.52.500.350-113.66.16087.00.06046.20.570-41.72.600.330-120.26.00084.10.06045.30.550-42.72.700.320-127.95.82080.90.06044.60.530-43.42.800.300-137.35.59077.90.06042.50.520-43.82.900.250-144.75.29076.30.06044.10.520-43.23.000.230-142.45.22076.00.06048.20.520-44.84.000.310175.34.23062.30.06046.80.440-48.35.000.420147.13.50041.80.08045.60.360-70.46.000.510130.22.94025.60.09042.70.310-89.67.000.580116.82.5209.80.10038.60.290-115.38.000.650106.92.160-5.00.12034.40.310-143.09.000.71099.01.850-19.30.13028.70.360-168.210.000.76092.81.570-32.60.14022.90.440172.111.000.78089.21.360-44.50.14017.80.530158.512.000.790噪聲系數(shù)參數(shù)表fFminGHzdB0.801.590.901.601.001.601.501.621.801.6384.81.160GammaoptMAG0.38010.70.38011.90.38013.20.36020.50.34025.7-55.10.150Rn/50ANG-0.430.430.430.410.3813.40.600149.8選好器件以后可以先利用S參數(shù)計(jì)算器sparam軟件判斷它的穩(wěn)定性：將VDS=2V,ID=5mA.,f=2.0GHz時(shí)的S參數(shù)輸入窗口，如下:/***************************************************************由上可見，它不是絕對(duì)穩(wěn)定的，需要進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。四、ADS仿真先打開ADS,新建一個(gè)項(xiàng)目NECLNA。確定支流偏置電路，為了使晶體管工作在放大區(qū)，需確定靜態(tài)直流工作點(diǎn)。由2SC5507計(jì)。原理圖的各個(gè)元件及仿真器的放置如下:1.902.002.501.631.631.650.3300.3200.26027.529.440.10.380.370.32的DataSheet可以得到:VDS=2V,ID=5mA。由于K<1,根據(jù)上面S參數(shù)計(jì)算器得到的結(jié)果，它不是絕對(duì)穩(wěn)定的，下面進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)Note:Lq選好器件以后可以先利用S參數(shù)計(jì)算器sparam軟件判斷它的穩(wěn)定性：將VDS=2V,ID=5mA.,f=2.0GHz時(shí)的S參數(shù)輸入窗口，如下:/***************************************************************由上可見，它不是絕對(duì)穩(wěn)定的，需要進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。四、ADS仿真先打開ADS,新建一個(gè)項(xiàng)目NECLNA。確定支流偏置電路，為了使晶體管工作在放大區(qū)，需確定靜態(tài)直流工作點(diǎn)。由2SC5507計(jì)。原理圖的各個(gè)元件及仿真器的放置如下:1.902.002.501.631.631.650.3300.3200.26027.529.440.10.380.370.32的DataSheet可以得到:VDS=2V,ID=5mA。由于K<1,根據(jù)上面S參數(shù)計(jì)算器得到的結(jié)果，它不是絕對(duì)穩(wěn)定的，下面進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)Note:Lqadduxce'50口tonib-oiatHelpCelWin：1-1#ITOOO+1-1.#I1TBOO-1.i-S-ParameterSduecTmped-Ukc?：SOOltuvi005|102.0i—flectioncoe￡￡icieixtT1—impedanceCL64Tm:|f-lHINDOO-1.HINDOOAra.gXeTramsdueerGain：11?#QNAK0I-86..T1#QHAK011.旃HAW。Filauc1riitunAvol11e：O4&1xi：InvilidOPTIONSOptions1TernD=16-85''TopologyCheck^yesV_RelToi=1e-6-l_^eriDl=i0-6.GiveAllWarnmgs=vesMaxWarnings=10Tenn--Terml..Num=1."5?？趆ENoise=yesTSrTn-yTerm2..Num=2Z=50OhmNoise=yes(33Me日正qnKIK-stab_fact(S)［號(hào).Me^sIZqn'',Ml,,,-Mu=mu(S)■■匕狗Eqn..Bl.SP2Start=0.1'GHzStop=3GHz'Step=0.1CHzCalcNoise-yes="F.\devices\NE661M04v1jp1.-12_2^5,s2p,SFAEAMK1:K=stab_fact(S),stab_fact(S)函數(shù)返回Rollett穩(wěn)定因子。K>1時(shí)電路絕對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)穩(wěn)定量B1>1。M1:Mu=mu(S),mu(S)函數(shù)返回負(fù)載的幾何導(dǎo)出因子。Mu>1時(shí)電路絕對(duì)穩(wěn)定。B1:B1=stab_meas(S)stab_meas(S)函數(shù)返回穩(wěn)定量。具體各個(gè)函數(shù)的功能及代表的詳細(xì)意義可看help文件，那里有詳盡的解釋。增加輸出穩(wěn)定性電路前的仿真結(jié)果如下：TF*q|H1KTF*q|H1Ktailia0.。.仃g勺■C1??.iafW013a.MC,3&0u-dn的0.om&白口??ToPgee「.剪E之0.0flS■G。.…Cj胃日n口.*u裳"。H'&介口口.一明工Bmh4Q113.〉DftOQ.uC.3E0<J.-93Fi0?139013a..Wut3E9罌a*口號(hào)0-fTft0Q9-4Or3fl—759.&60步D口?-?OrJeeC,巾”0,T]*1.0-a11.43今。B440-fi01L…■6B.4iC.fi0Od.*fi-fl13...C.434<seeadJ總。i0?金/君□.心口喻o”&14..?D.fi1IDa.sge0.5341?B.*6E"a.?a4TB邸。1J.一Ofe55fiC,T480.9551.平■、*ekgwjoh?ce0,S^O(n.B,n.nsgn-ta-t口.日口口].B__.o.ae&仁.酒日身口.日6￡JU….叫n。*◎.鼻￡/Q-&1*1H.L.，.?！浩誱心C.50nQg￡0之-E0a自4e-BLD0TGU,t3..◎.昌H電。.學(xué)RH口.9交4-..C.15E&>.0l巾1?屯。爐口&.oaoe?o■?E1n口唱成口心.□Gg-or口"EtB讓-O」24j.a221.口T工合二日F、?Ob3?1.c”1.C4BW.?！鲆籓.72ftJ.1Bf1,口號(hào)黑門.Q-*Ot1E0JB10111”B由上圖也可見2.0GHz以上頻率的Mu沒有滿足都大于1,在未增加輸出穩(wěn)定性電路前，晶體管輸出是不穩(wěn)定的，因此需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，增加輸出穩(wěn)定性電路。增加輸出穩(wěn)定性電路在原圖的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個(gè)RC串聯(lián)電路，也可以添加LC或RL電路，具體可以和輸出匹配電路同時(shí)考慮來設(shè)計(jì)。電路圖如下：[1駕;,|^Eqn--..?1....K=stab_fact(S]|嚼dMeasEqn.，

Ml[1駕;,|^Eqn--..?1....K=stab_fact(S]|嚼dMeasEqn.，

Ml..Mu=mu⑸-MeasEpn-Bl..B1=stabmea■S-PARAh/fETERS'SP：Stan-0.1GHzStop=3GHz-StBp=0.1Grti-.CalcNoise=yes.F?1R-5OhmOPTIONSTPt.r.c：.Options1Teimp=lB.S5Topdog^Check=yes-V_RelTnl=1e-B.ljRELTol=1e-6..GiveAIIWarnincis=yesMa＞：Warnings=i0S2FSNFFile：'FAdevices\NEbflMtMH_pd■-I2_2^5.s2p,iTerrri■■irernnl.Num=1R=5QOhm，Nai?e=yes-Cl-C=20pFTftfiTh：■Term2..Mum=27=50OhmMoise=yes這里R1=5Ohm,C1=2.0pF增加輸出穩(wěn)定性電路后仿真結(jié)果如下:?nrfnaJI-i0O03V。e'[U;:?，ewp.a】2七ffrejI-I]*Fieq*1融.0D€從Mu的值可以看出，增加輸出穩(wěn)定電路后，晶體管在2GHz——3GHz之間Mu>1,可知系統(tǒng)是絕對(duì)穩(wěn)定的。最佳噪聲匹配對(duì)于LNA,如果輸入口有一定的失配，反而可以調(diào)整器件內(nèi)部各種噪聲之間的相位關(guān)系，從而降低噪聲系數(shù)。為了獲得最小的噪聲系數(shù)，Ps有個(gè)最佳值IOpt,此日LNA達(dá)到最小噪聲系數(shù)，即達(dá)到最佳噪聲匹配狀態(tài)。其中Wpt是最佳信源反射系數(shù)（微波晶體管等效噪聲參數(shù)）

當(dāng)匹配狀態(tài)偏離最佳時(shí)，LNA的噪聲系數(shù)將增大。IOpt可以從器件的Datasheet或者s2p文件中獲得如果要進(jìn)行噪聲系數(shù)仿真，晶體管的s2p文件中必須要有噪聲蠶俗話，否則無法進(jìn)行噪聲分析。Sept:最小噪聲的最優(yōu)匹配系數(shù)。利用這個(gè)最優(yōu)系數(shù)可以進(jìn)行輸入匹配電路的設(shè)計(jì)。噪聲系數(shù)仿真電路如下：（可以用模板，在原理圖窗口點(diǎn)擊NewDesign,在SchematicDesignTemplate（Optional）中選擇Sparams_wNoise模板。將器件s2p模型置入）仿真結(jié)果如下:由圖可見Sopt=0.32/29.4（幅度和角度）根據(jù)噪聲最小設(shè)計(jì)輸入匹配電路輸入匹配電路設(shè)計(jì)如下:VARIL尸口n，H篙◎=C0|曰MCI32.233]T~~)IVARIL尸口n，H篙◎=C0|曰MCI32.233]T~~)ITerm「TermI^=l.-Z=50<+irnJS1P1Si'.l^cuflXSoEtl311=密]S-PARAMETERS|SP].Starr01GHtGtrgGH；Step"D-1GHeOpttonslTem(ri^r.臼生「歸5廿_病而0|引生6上阪阱iawI.AqIT小屈gMT北刖？40科喝誦mm爐般瓜砧&型!(1出始輸入反射系數(shù)S[1,1]設(shè)置為Sopt的共軻，用來進(jìn)行50歐姆匹配。這里的cong(C)函數(shù)為對(duì)負(fù)數(shù)C取共軻polar((a,b)函數(shù)表示以a為模b為輻角設(shè)置一個(gè)復(fù)數(shù)。這里Sopt采用這種形式是為了計(jì)算方便，最佳輸入匹配系數(shù)由前面得到優(yōu)化得C1=1.73pFL1=5.79nH匹配結(jié)果如下:m1freq-S.OOOCBzS{lhl}=6.697E-4/64,374Imped舊口/懺=工Q*11,口口1$j口，002)freq(freq(]00.DMHetc2,DOOGHe)書上這個(gè)步驟是用參數(shù)掃描器對(duì)電感電容進(jìn)行掃描，以便從所有這些值中得出最佳的結(jié)果這里我沒有和書本上的方法一樣進(jìn)行電路匹配設(shè)計(jì)，我的方法跟設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)一樣，先估計(jì)一個(gè)初值，然后利用ADS的Tune進(jìn)行優(yōu)化，這種方法簡單且精確，具體優(yōu)化方法可以參看我的用ADS設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)優(yōu)化微帶線尺寸時(shí)的步驟?；氐诫娐穲D的窗口，點(diǎn)擊9I,進(jìn)行協(xié)調(diào)修正優(yōu)化，然后在下面的窗口中選擇修正的參數(shù)并進(jìn)行修正。界