低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)學(xué)院電子與信息學(xué)院專業(yè)通信與信息系統(tǒng)學(xué)生姓名熊成學(xué)生學(xué)號(hào)100000000001指導(dǎo)教師胡斌杰、張洪林提交日期2014年12月20日O引言低噪聲放大器(lownoiseamplifier，LNA)是射頻接收機(jī)前端的重要組成部分。它的主要作用是放大接收到的微弱信號(hào)，足夠高的增益克服后續(xù)各級(jí)(如混頻器)的噪聲，并盡可能少地降低附加噪聲的干擾。LNA一般通過(guò)傳輸線直接和天線或天線濾波器相連，由于處于接收機(jī)的最前端，其抑制噪聲的能力直接關(guān)系到整個(gè)接收系統(tǒng)的性能。因此LNA的指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格，不僅要求有足夠小的低噪聲系數(shù)，還要求足夠高的功率增益，較寬的帶寬，在接收帶寬內(nèi)功率增益平坦度好。該設(shè)計(jì)利用微波設(shè)計(jì)領(lǐng)域的ADS軟件，結(jié)合低噪聲放大器設(shè)計(jì)理論，利用S參數(shù)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，性能指標(biāo)好的低噪聲放大器。安捷倫公司的ATF54143是一種增強(qiáng)型偽高電子遷移率晶體管(E-pHEMT),不需要負(fù)柵極電壓,與耗盡型管相比較,可以簡(jiǎn)化排版而且減少零件數(shù),該晶體管最顯著的特點(diǎn)是低噪聲,并具有高增益、高線性度等特性,他特別適用于工作頻率范圍在450MHz~6GHz之間的蜂窩/PCS/WCDMA基站、無(wú)線本地環(huán)路、固定無(wú)線接入和其他高性能應(yīng)用中的第一階和第二階前端低噪聲放大器電路中。1設(shè)計(jì)指標(biāo)下面提出所設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器需要考慮的指標(biāo)：(1)工作頻帶：1.4～1.5GHz。工作頻帶僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要在全頻帶內(nèi)使噪聲系數(shù)滿足要求。(2)噪聲系數(shù)：FN<0.8dB。FN表示輸入信噪比與輸出信噪比的比值，在理想情況下放大器不引入噪聲，輸入/輸出信噪比相等，F(xiàn)N=OdB。較低的FN可以通過(guò)輸入匹配到最佳噪聲匹配點(diǎn)和調(diào)整晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)獲得。由于是寬帶放大器，難以獲得較低的噪聲系數(shù)，這就決定了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)會(huì)比較高。(3)增益:≥15dB。LNA應(yīng)該有足夠高的增益，這樣可以抑制后面各級(jí)對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響，但其增益不宜太大;避免后面的混頻器產(chǎn)生非線性失真。(4)增益平坦度為O.2dB。指工作頻帶內(nèi)增益的起伏，低噪放大器應(yīng)該保持一個(gè)較為平坦的增益水平。由于是寬帶放大器，使得增益平坦度比較小，應(yīng)該在高頻段匹配電路，使頻帶低端失配，從而改善放大器的增益平坦度。(5)S112設(shè)計(jì)方案2.1穩(wěn)定性分析放大器穩(wěn)定性的判定條件如下：K=1-SS112S222<1-S其中，D=S11S2.2噪聲分析放大器的噪聲系數(shù)NF定義如下：NF=Sin/N式中，NF為射頻/微波器件的噪聲系數(shù)；Sin，Nin分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率；噪聲系數(shù)的物理含義是，信號(hào)通過(guò)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)。3設(shè)計(jì)步驟3.1確定直流工作點(diǎn)從ATF54143的數(shù)據(jù)手冊(cè)上可以看到噪聲和Vds和圖1ATF54143直流偏置曲線從圖1中可以看出，在900MHz時(shí)，當(dāng)Vds=3V和Igs=20mA時(shí)，F(xiàn)min接近最小值。此時(shí)，增益大約為22.3dB，能滿足設(shè)計(jì)要求，那么晶體管直流工作點(diǎn)就設(shè)為3.2偏置電路設(shè)計(jì)按照?qǐng)D2連接電路，經(jīng)過(guò)仿真和偏置網(wǎng)絡(luò)的選擇，得到偏置子電路，如圖3所示。圖2偏置電路原理圖圖3偏置子電路3.3原理圖設(shè)計(jì)（1）在MuRata網(wǎng)站下載電容的ADSDesignKits，并加載到ADS中。（2）通過(guò)噪聲系數(shù)分析，噪聲系數(shù)圓，輸入、輸出匹配等，最后設(shè)計(jì)出總原來(lái)圖，如圖4所示。圖4總原理圖4指標(biāo)分析4.1穩(wěn)定系數(shù)分析經(jīng)過(guò)仿真與調(diào)試，系統(tǒng)的穩(wěn)定系數(shù)如圖5所示。圖5穩(wěn)定系數(shù)由圖5可知，在頻段1.4～1.5GHz內(nèi)，K均大于1，滿足穩(wěn)定條件。4.2噪聲系數(shù)分析經(jīng)過(guò)噪聲系數(shù)圓，輸入、輸出匹配，系統(tǒng)的噪聲性能如圖6所示。圖6噪聲系數(shù)性能由圖6可知，在頻段1.4～1.5GHz內(nèi)，系統(tǒng)的最小噪聲系數(shù)為0.256，最大噪聲系數(shù)為0.261，滿足NF<0.8dB的指標(biāo)要求。4.3反射參數(shù)的分析（1）輸入端口反射系數(shù)S11通過(guò)仿真，得出系統(tǒng)的反射系數(shù)S11圖7反射系數(shù)S11由圖7可知，在頻段1.4～1.5GHz內(nèi)，S11min=10.594dB，S11（1）輸出端口反射系數(shù)S22通過(guò)仿真，得出系統(tǒng)的反射系數(shù)S22圖8反射系數(shù)S22由圖7可知，在頻段1.4～1.5GHz內(nèi)，S11min=15.027dB，4.4增益分析（1）增益通過(guò)仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)的增益性能如圖9所示。圖9系統(tǒng)的增益性能由圖9可知，系統(tǒng)在頻段1.4～1.5GHz內(nèi)，Gmin=18.600dB（2）增益平坦度分析同理，由圖9可知系統(tǒng)的增益平坦度為:增益平坦度由此可見滿足:增益平坦度<±0.2dB的指標(biāo)條件。5版圖的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用autoCAD進(jìn)行版圖的設(shè)計(jì)，根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)出總的版圖，如圖10所示。版圖大小為：1.73cm×1.57cm。圖10總設(shè)計(jì)版圖6學(xué)習(xí)心得通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)《射頻電路設(shè)計(jì)》這門課有了比較全面的了解，熟悉了ADS軟件的使用和學(xué)會(huì)用autoACD設(shè)計(jì)版圖，收獲很大。經(jīng)過(guò)一個(gè)多星期的努力,我終于完成了低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我們收獲了很多。從設(shè)計(jì)、仿真電路，到畫版圖，再到課堂的PPT演講，我不僅學(xué)會(huì)了怎樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)放大器，