基于ADS低噪放大器設(shè)計(jì)

1、基于ADS的低噪放大器設(shè)計(jì)學(xué) 生：xxx學(xué) 號(hào)：xxx指導(dǎo)教師：xxx專 業(yè)：電子與通信工程Xxxxxx二O一三年十一月目錄目 錄11 引言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 低噪聲放大器設(shè)計(jì)4晶體管的選擇和下載4直流分析45穩(wěn)定性分析6噪聲系數(shù)圓和輸入匹配8最大增益的輸出匹配12匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)14原理圖仿真15151 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

2、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(duì)穩(wěn)定系數(shù)K必須大于1，放大器才能達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定。放大器的功率增益：對(duì)輸入信號(hào)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(duì)放大器來說，噪聲的存在對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)有重要影響，在低噪聲的前提下對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大是對(duì)放大器的基本要求。1.2 低噪聲放

3、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)； 帶寬B=300MHz；增益G=15dB；噪聲系數(shù)Nf小于等于3dB； Zin=Zout=50。1.4小結(jié)本次對(duì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，使用Agilent公司的高級(jí)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(hào)電路的模型，然后設(shè)計(jì)了一個(gè)在中心頻率為GHz滿足指標(biāo)要求的低噪聲放大器。2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)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

4、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)，由于ATF35176單級(jí)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(jí)電路就可以達(dá)到指標(biāo)。ADS2009自帶的元器件庫(kù)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)

5、手冊(cè)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=20mA。圖2.1 ATF35176的datasheet圖2.2直流分析原理圖圖2.3 ATF35176的直流特性偏置電路的設(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(jí)只接反饋電感（微帶線）

6、，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)稱值代替。圖2.4偏置電路原理圖圖2.5 偏置子電路圖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(hào)能傳輸?shù)骄w管引腳，而晶體管的射頻信號(hào)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(hào)不能傳到兩端的Term，需加隔直電容，【DC_Block】隔直電

7、容代替。圖2.7加入理想直流扼流和射頻扼流的原理圖圖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Stabfact1兩個(gè)圖表中觀察，從圖我們可以看出，在GHz時(shí)，最大增益為dB，穩(wěn)定系數(shù)為K=0.646，絕對(duì)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(duì)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(jí)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3. 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。

8、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)中電源部分用了扼流電感LGQ18和GRM18，對(duì)射頻信號(hào)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(zhǎng)度（，其中L是電感值即0.3nH，ZO 8mm）。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(shù)圓；

9、返回增益圓。圖2.14circleData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），通過使用DA_SmithChartMatch工具，對(duì)電路進(jìn)行輸入匹配。圖2.14加入DA_Smith Chart Match工具圖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2.17 Smith Chart Utility微帶線匹配圖2.18 匹配子線路圖2.19 匹配后輸入阻抗圖2.20 Tunin

10、g后仿真結(jié)果1圖2.21 Tuning后仿真結(jié)果2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，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_SmithChartMatch工具，對(duì)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工具的參數(shù)圖2.24 設(shè)置Smith Chart Utility工具的輸出阻抗圖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圖2.28 Tuning后仿真結(jié)果4

11、2.7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(zhǎng)度和頻率，需要換算成實(shí)際的標(biāo)明物理長(zhǎng)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(zhǎng)度（degrees）特征阻抗（ohm）物理長(zhǎng)度（mm）TH550TH650TH750TH850表2.1 微帶線的電長(zhǎng)度和物理長(zhǎng)度圖2.29低噪聲放大器的總電路圖2.8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(duì)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)在都在dB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，在頻率范圍內(nèi)，增益的最小值為S21min= dB、最大值為