利用ADS設(shè)計(jì)低噪聲放大器LNA

1、利用ADS設(shè)計(jì)LNA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；動態(tài)范圍輸入、輸出為標(biāo)準(zhǔn)微帶線，其特征阻抗均為50W步驟： 放大器級數(shù)（對于我們，為了便于設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)，通常選擇一級） 晶體管選擇 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電路初步設(shè)計(jì) 用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化、仿真模擬一、 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)1LNA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功率和噪聲功率； Sout，Nout分別為輸出端的信號功率和噪聲功率。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號通過放大器之后，由于放大器

2、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)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)系是式中，T0為環(huán)境溫度，通常取為293K。2LNA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50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)先測信號源能給出的功率P1；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

3、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24dB。功率增益的大小還會影響整機(jī)噪聲系數(shù)，下面給出簡化的多級放大器噪聲系數(shù)表達(dá)式：其中：放大器整機(jī)噪聲系數(shù)； 分別為第1，2，3級的噪聲系數(shù)；分別為第1，2級功率增益。從上面的討論可以知道，當(dāng)前級增益G1和G2足夠大的時(shí)候，整機(jī)的噪聲系數(shù)接近第一級的噪聲系數(shù)。因此多級放大器第一級噪音系數(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2050dB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G(dB)表示。3工作頻帶不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶

4、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)。時(shí)的輸入功率值。4動態(tài)范圍是指低噪音放大器輸入信號允許的最小功率和最大功率的范圍。動態(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)，輸入信號功率允許最小值是：其中：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)允許的信號噪聲比，或信號識別系數(shù)；T0 環(huán)境溫度，293K。 動態(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)5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)果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會

5、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。6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）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：放大器在S輸入平面上絕對

6、穩(wěn)定的充分必要條件為放大器在L輸入平面上絕對穩(wěn)定的充分必要條件為二、 性能指標(biāo)Frequency 2.0GHzSourceImpedance 50OhmGain 10dNoisefactor 2dBStablity Unconditonal三、 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

7、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：/*! NEC Compound Semiconductor Devices Ltd.! 20. August 2002! NE661M04/2SC5507! NPN Silicon Transistor! Vce = 2 V Ic = 5 mA# GHz S MA R 5

8、0! f S11 S21 S12 S22! GHz MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG 0.10 0.820 -4.7 10.440 173.8 0.000 80.8 0.970 -4.1 0.20 0.820 -9.2 10.280 168.8 0.010 75.3 0.940 -7.1 0.30 0.800 -13.8 10.090 164.2 0.010 75.0 0.920 -9.4 0.40 0.790 -18.0 9.890 159.8 0.010 74.1 0.900 -11.5 0.50 0.780 -22.4 9.730 155.6 0.020 7

9、2.2 0.880 -13.4 0.60 0.760 -26.6 9.550 151.5 0.020 70.4 0.870 -15.4 0.70 0.740 -31.1 9.360 147.4 0.020 68.0 0.850 -17.3 0.80 0.720 -35.3 9.190 143.5 0.030 66.6 0.840 -18.9 0.90 0.700 -39.4 9.010 139.6 0.030 64.9 0.820 -20.8 1.00 0.680 -43.6 8.820 135.8 0.030 63.3 0.800 -22.4 1.10 0.660 -47.9 8.670 1

10、32.0 0.030 61.2 0.780 -23.9 1.20 0.630 -51.9 8.460 128.6 0.040 60.7 0.770 -25.5 1.30 0.610 -56.2 8.270 124.8 0.040 58.7 0.750 -26.9 1.40 0.580 -60.3 8.070 121.5 0.040 57.8 0.730 -28.4 1.50 0.560 -64.7 7.910 117.9 0.040 56.3 0.720 -29.7 1.60 0.530 -68.9 7.720 114.5 0.040 55.5 0.700 -31.0 1.70 0.510 -

11、73.3 7.540 111.3 0.050 53.8 0.690 -32.3 1.80 0.490 -77.6 7.350 108.2 0.050 53.4 0.670 -33.6 1.90 0.460 -82.0 7.180 105.0 0.050 51.9 0.650 -34.9 2.00 0.440 -86.7 7.000 102.0 0.050 51.6 0.640 -36.1 2.10 0.420 -91.6 6.830 98.9 0.050 49.6 0.620 -37.2 2.20 0.400 -96.5 6.660 95.9 0.050 49.6 0.610 -38.2 2.

12、30 0.380 -101.9 6.490 92.9 0.050 48.3 0.600 -39.5 2.40 0.360 -107.6 6.320 90.0 0.050 47.4 0.580 -40.5 2.50 0.350 -113.6 6.160 87.0 0.060 46.2 0.570 -41.7 2.60 0.330 -120.2 6.000 84.1 0.060 45.3 0.550 -42.7 2.70 0.320 -127.9 5.820 80.9 0.060 44.6 0.530 -43.4 2.80 0.300 -137.3 5.590 77.9 0.060 42.5 0.

13、520 -43.8 2.90 0.250 -144.7 5.290 76.3 0.060 44.1 0.520 -43.2 3.00 0.230 -142.4 5.220 76.0 0.060 48.2 0.520 -44.8 4.00 0.310 175.3 4.230 62.3 0.060 46.8 0.440 -48.3 5.00 0.420 147.1 3.500 41.8 0.080 45.6 0.360 -70.4 6.00 0.510 130.2 2.940 25.6 0.090 42.7 0.310 -89.6 7.00 0.580 116.8 2.520 9.8 0.100

14、38.6 0.290 -115.3 8.00 0.650 106.9 2.160 -5.0 0.120 34.4 0.310 -143.0 9.00 0.710 99.0 1.850 -19.3 0.130 28.7 0.360 -168.2 10.00 0.760 92.8 1.570 -32.6 0.140 22.9 0.440 172.1 11.00 0.780 89.2 1.360 -44.5 0.140 17.8 0.530 158.5 12.00 0.790 84.8 1.160 -55.1 0.150 13.4 0.600 149.8！噪聲系數(shù)參數(shù)表! f Fmin Gamma

15、opt Rn/50! GHz dB MAG ANG - 0.80 1.59 0.380 10.7 0.43 0.90 1.60 0.380 11.9 0.43 1.00 1.60 0.380 13.2 0.43 1.50 1.62 0.360 20.5 0.41 1.80 1.63 0.340 25.7 0.38 1.90 1.63 0.330 27.5 0.38 2.00 1.63 0.320 29.4 0.372.50 1.65 0.260 40.1 0.32/*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

16、入窗口，如下：由上可見，它不是絕對穩(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的DataSheet可以得到：VDS=2V, ID=5mA。由于K1時(shí)電路絕對穩(wěn)定，此時(shí)穩(wěn)定量B11。M1: Mu=mu(S), mu(S)函數(shù)返回負(fù)載的幾何導(dǎo)出因子。Mu1時(shí)電路絕對穩(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。k = 1- |S11|2 - |S22|2 + |S11*S

17、22 - S12*S21|2 / 2*|S12*S21|mu = 1-|S11|2 / |S22 - conj(S11)*Delta | + |S12*S21| b = 1+ |S11|2 - |S22|2 - |S11*S22 - S12*S21|2增加輸出穩(wěn)定性電路前的仿真結(jié)果如下：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：這里R1=5 Ohm , C1

18、=2.0 pF增加輸出穩(wěn)定性電路后仿真結(jié)果如下：從Mu的值可以看出，增加輸出穩(wěn)定電路后，晶體管在2GHz3GHz之間Mu1,可知系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的。最佳噪聲匹配對于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)，s有個(gè)最佳值opt,此時(shí)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opt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。opt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參數(shù)，否則無法進(jìn)行噪聲分析。Sopt

19、：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：輸入反射系數(shù)S1,1設(shè)置為Sopt的共軛，用來進(jìn)行50歐姆匹配。這里的cong(C)函數(shù)為對復(fù)數(shù)C取共軛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：書上這個(gè)步驟是用參數(shù)掃描器對電感電容進(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