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1、低噪声放大器的设计姓名：# 学号：# 班级：1# 一、设计要求1 .中心频率为1.45GHz,带宽为50MHz，即放大器工作在1.40GHz-1.50GHz 频率段；2 .放大器的噪声系数 NF0.8dB, S11-10dB,S2215dB。 二、低噪声放大器的主要技术指标低噪声放大器的性能主要包括噪声系数、合理的增益和稳定性等。1 .噪声系数NF放大器的噪声系数(用分贝表示)定义如下：Sn N NF(dB) = 10lg 具 Sout/NoutJ式中NF为射频/微波器件的噪声系数；Sin, Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率；8讥，Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。噪声系数的物理
2、含义是，信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使得信 噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。2 .放大器白向增益Gain在微波设计中，增益通常被定义为传输给负载的平均功率与信号源的最大资 用功率之比：Pl Gain =Ps增益的值通常是在固定的频率点上测到的， 低噪声放大器都是按照噪声最佳 匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益Gain要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低24dB.3 .稳定性一个微波管的射频绝对稳定条件是 KaISiI-SzSzI ,S221-S2Si|。 只有当3个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。三、低噪声
3、放大器的设计步骤(1) 载并安装晶体管的库文件 由于ADS2008自带的元器件库里并没有 ATF54143的元器件模型，所以 需要从Avago公司的网站上下载 ATF54143.zap并进入ADS主界面，点击 File【Unarchive Project!进行安装。(2) 新建工程 ATF54143_LNA_1_prj,执行菜单命令File【Include/RemoveProjects1将ATF54143_prj添加到新建工程中，这样新建工程就能使用器 件 ATF54143 了。2.确定直流工作点低噪声放大器的设计的第一步是设置晶体管的直流工作点。(1) 在ADS中执行菜单File 【New
4、Design,在弹出的对话框中的 Schematic Design Templates拉歹！J表中选择 “DC_FET_T” 模板，在 Name 文本框中输入DC_FET_T,单击【OK】，这样DC_FET控件就被放置在 原理图中了。在原理图中放置器件ATF54143，设置DC_FET控件的参数并连接原理图如图1所示图1 完整DC_FE口 原理图(3) 仿真得到ATF54143的直流特性图如图2所示。(4) 根据ATF54143的数据手册，如图3所示，在900MHz时，当 Vds=3V,Ids=30mA时Fmin接近最小值，此时增益约为 23dB,能满足设 计要求，故设置晶体管的直流工作点为
5、Vds=3V,Ids=30mA.Dram Currenl versus Bias Curves5JM1 w导7享用5JM 遇 57KBvnsMove Marker m 1 to update vaiuies below.5JM1J 心5IM1.yQS-DEiaaElMIS-CiglQI 目自好5JU1 VGS-gwgsui !GS-aBxam uss-aeoa 尔U1RS口5WVDSDevice RowerCcmsumpiioA 凯vn埼m 1 bias pairntWatts3 MO3 152E-2J图2 ATF54143的直流特性图020 曲6060100Id (明Figure 7. Fm
6、in vS. 1 and Vj* Tuned for Max OIP3 and Min NF at 900 MHz.19U 02040 GO 90100弧 t*A)Figure 9. Gain vs. I(js and V曲 Tuned for Max 0IP3 and Fmin at 900 MHz.25243 2 12 2 2-芸芸 R33 333933 Ohmo-“ Port, , -PIr ,。Port , P2Port ,P3Uu尚=31 FfJr4 R =36,0*57 Otw -八河 ,Lr3 Ft=D nr 3hm图5偏置子电路取 R1=33Ohm,R2=224Ohm,R4=2
7、6Ohm新建原理图 biascircuitl,画出最终的偏 置电路原理图如图6所示。-WV仁t 2?PUU 1A% 1 r ，R4 一R=26 Qtirn a aR r .K2.R=224 Ohm59：9 rM R.I RI - ，R=33 Ohm-.7 9 mA .VJJC .SRC1Vdc=5.DV3Q|0n S12蜀与rMMF 54143 二、5 年 9 mA JATF54143jtft.X1DCDCDOI图6偏置电路原理图4 .放大器的稳定性分析使用稳定系数也就是K的“StabFact控件来判断电路的稳定性。只有绝对 稳定系数K1,放大器电路才稳定。(1)新建原理图LNA_schema
8、tic_1,在该原理图中添加各种元器件并设置相应参数。注意在放大器的直流和交流通路之间要添加射频扼流电路(直流通路实质上是一个无源低通电路，使直流偏置信号能传输到晶体管引脚，而要抑制射频信号，实际中一般是一个电感加一个旁路电容接地，在此先用扼流电感【DC_Feed代替。同时直流偏置信号也不能传到两端的Term,需加隔直电容，在此先用隔直电容【DC_Block】代替。)。仿真结果如图7所示。freq, GHzfreq, GHz1 n a G xM图7最大增益和稳定系数K的曲线从图7中可看出，在1.45GHz时，最大增益为18.89dB,稳定系数为K=1.145, 小于1,可见该放大器稳定。(2)
9、使系统稳定的常用方法是添加负反馈， 本次设计中将在ATF54143的两个源极加小电感作为负反馈。一般情况下要反复调节反馈电感，使其在整个工作频率范 围内稳定。本次设计中Ls最终选为1.28nH。电路图如图8所示。R .R=2B Ohm.R.R2 . , R=224 OhmJLRIR33.3 ChmDC1士L SRCT , -=-Vdc-50V.刷 S PARAMETERSDC FwdlS Param SPlStarts GHz 囿k痂GHz 速泸捌Hz .Ls-1.3, DC Block , 北rm . DCfBIwkl - TeimlNum=TZ=50 OtwnATF 54142DC_0!D
10、C_BIK2Him 工|讪二n 1,Slab Fact . MajcGain SlSbFactl MaXSanl您附Ryaa的力二m审k_炉(Sj1em2 Num 22=50 Chm图8晶体管加负反馈后的电路图将理想的 DC_Feed、DC_Block元器件改成实际器件，在本设计中选用MuRata（日本村田公司）的电容和电感。将源极的两个电感换成微带线的形式（这两个电感值太小，实际很难做到，而且只要这两个电感有稍微改变会对整个电路的稳定性产生很大的影响。）。利用1.09mm。公式i = 4处 计算得微带线的实际长度为Z0 ；（5）全部换成实际器件后的原理图如图 9所示。NETLIST INCL
11、UDEMUHAlAlndude -tnuRaLa .5-PAMAMETERSS二P刁 nam SP1 . SEad-D GH? 总EopW GHz Step=5 MHr国VAR1 -Lsal.2 .L=2.aPHrtNumbCT=GRM 1QG19HN3N9SOOR.W . Fl =224 OhmTLAMSubmsus而 Libi4 mmE04Mur=lCg总珞概E5Hli1.Dt+D33 mmT=D 口 55 mtnTariDi：a 02 Rbugh-D milNum-1ZSOCtimlerrnTerml-1(-*GffM 19C3 PaftNijrntwr=GRM 1885C2A220JA
12、01AIF 54143, Slab Fat I - StabFacn -口M，姻疝II MaxGanl. “I 廿 力TF5414Idt ML SC.口 1a bskMSubi?W=CL5 mm.U=l mm.Sl3bFact1-atafrjBcH& MaxGai n 1 =max_aHS|iRIR=33wn1 5c十 | 丽 G1三WHOMStespHSubrl 七W=0l*e.各lumberMl 1 BBSCiiA UDJAtil PartNumberLOGI BH H22 NJ DOGRMiaC4RjnNLinbcr=GRM1 密01Nun*=2 ZOOhrn-5 .噪声系数圆和输入匹配
13、(1)利用ADS进行仿真得到噪声系数圆和增益圆如图10所示m4indep(m4)= 51GaCircle=0.467 / -148.101gain=19.286286impedance = Z0 * (0.389 - j0.245)m6indep(m6)= 47GaCircle=0.406 / -78.133gain=18.286286impedance = Z0 * (0.837 - j0.797)m5indep(m5)= 51cirdeData=0.130 / 65.603ns figure=0.450435impedance = Z0 * (1.081 + j0.261)cir_pts
14、(0.000 to 51.000)图10噪声系数圆和增益圆其中，m4是LNA有最大增益时的输入端阻抗，m5是LNA有最小噪声系 数时的输入端阻抗，但是这两点并不重合，在设计时必须在增益和噪声系数间做 一个权衡。对于低噪声放大器首先要考虑的是最小噪声，那么这里最优的输入端阻抗为m5点的阻抗Z0*(0.081+j*0.261),其中Z。定为50Ohm,则输入端的阻抗为 4.05+j*13.05 Ohm。为了达到最小噪声系数，在晶体管输入端要满足最佳源反射 系数opt的要求，而整个电路的输入阻抗为 Zo=50 Ohm,所以需要输入匹配网络 0P把喘(琮t为m5处阻抗的共腕,即4.05-j*13.05
15、 Ohm)变换到输入阻抗50 Ohm, 输入匹配框图如图11所示。图11输入匹配框图(2)利用ADS进行仿真，采用微带线匹配，得到输入匹配电路。(3)将输入匹配子电路复制到原理图中，并将隔直电容移到源端，此时噪声最优化点已经偏离50 Ohm,现在需要调节输入匹配电路微带线的长度来补偿。 用Tuning工具来调节两段传输线的长度，在 Tuning时观察数据窗口的相关曲线的变化以达到理想效果。最后，把 TL3和TL4的电长度分别调到194.894deg和129.368deg时可以得到一个好的噪声系数和输入反射系数，结果如图12所示图12 Tuning后的S参数曲线6 .最大增益的输出匹配(1)在A
16、DS中利用Zin控件得到电路的输出阻抗为150.998-j*16.276 Ohm ,为了达到最大增益，需要利用输出匹配电路将50 Ohm匹配到150.998+j*16.276Ohm。其中输出匹配框图如图13所示。Input MaRhw NelwcriiIII:PHEMTOutputMatching Network图13输出匹配框图(2)利用ADS进行仿真，采用微带线匹配，得到输出匹配电路。(3)将输出匹配子电路复制到原理图中，并将输出端的耦合电容放到输出端，利用Tuning工具进一步调节，仿真结果如图14所示，此时TL6=0.151572deg,TL5=9.59764deg。freq= 1.4
17、00GHz dB(S(1,1)=-10.075-1010ml4 freq=1.500GHzdB(S(1,1)-11.5061m8freq= 1.400GHz dB(S(2,2)=-16.096m16freq= 1.500GHzdB(S(2,2)=-16.358-12-1419u(rBU-300-10-200.60.8121 4161 82006081.01.2141.61.8.0freq, GHzfreq, GHz图14输出匹配后的仿真结果7 .匹配网络的实现(1)利用LinCale工具计算出四段匹配微带线的物理长度如下表所示:电长度(单位degrees)物理长度(单位mm)TL3128. 7
18、1945.19671TL4141. 06449, 53160TL59.597643. 37TL60.1515720. 053221其中实际微带线的宽度为1.846290mm。(2)将所有的理想微带线全部换为实际物理长度的微带线。微带线换成实际物理尺寸后仍然可以通过Tuning来进行微调。在电源处加3个电容，分别为1uF, 0.01uF, 10pF。原理图如图15所示，仿 真结果如图16和图17所示。M5UUM5UHH=QB rmt4J 日=43S哥Mu=1 (LOIKZp) ndS-PARAMETERSkl目I MELIST WCLUDES PaanSPI密吁DKGH7出印7GH7 SlEp-
19、ZEiMHzMUFATAjiKUlir mrlMarR4R妣9011团口所|r|G11 CQhlWciR2R=OIU MBGH Otm 旨18raG2E5R2C&12IQG1HIL3pwimri=LiQ6iHf4imm*LUJuW1 w1.a4T9D nvn1 nvn1翳府刖nvnria SllRlTix I知 j 1aM sm IF/I mm 1 AIFErf14S_Et XIML5GTL1Sim-iaM5U)1l| 帕亚L-L nwnGQM1H僭川括口中1TmJEQki 1IHlfiC?jHuifIz=a QttnI 4!i lW=kiMKS0 rrrn 及西(也II现仁应湖HBK?iii
20、n摘CGM18GMStaI tupEi(Mrrtu= GCM1 G7士 PartNmiteGWlHF RI . R=50OlTOMLSC TL2 SUITES曲 T W=3Ll2mnf) L=L irmVARVARIHl汨町审理TadL=2Q0 tn srstram富 aurani=gmad(S图15完整的LNAIPGOMIS LQGin i G2VSWR1L1Fmr!而口=GQM1寇耽酉也知的Mfl FE81”pstN(iTfief=LQGia niooqVWRTlfi SdKsir Sd*T ILADS 帕WG30加-L-O.ffijtKZI11asy中丽Wl心|立忸 G1 RdtNuiM
21、wCwiHatGnUNbG il=rrH_nL1电路原理图W2* 437471M rmiTHmTam2z=50OlmQhlog现力才二声去曲.W1.&29inn(-tHLCM3L=A3Z run 卧eq, GHzm14freq 二 呻=1.500C K1,1)=-1)Hz 0.347 一,._ freq= 1.400GHz dB(S(1,1)=-10.013m8freq= 1 400GHz dB(S(2,2)=-17.13freq, GHzm16freq= 1.500GHzdB(S(2,2)=-17.3971.82.0freq, GHz图16最终S参数曲线350060X12nn 1 ? 7m1
22、215mGH= .400m1mi155040306 o o o o 2 1freqnf(2)=0.415 freq=.5 72)=000G .3892图17最终稳定系数和噪声参数曲线8 .版图的设计对于分立的电容、电感、电阻等器件，可以采用ADS软件自带的分立器件的封装。ADS软件没有ATF54143晶体管的layout封装，可在ADS的layout界 面里绘制ATF54143的版图。板子尺寸：5.41cm*5.12cm。最终生成的版图如图 18和图19所示。图18生成的版图图19局部版图四、设计总结低噪声放大器的原理图设计是一个反复调谐优化的过程。本设计采用噪声系 数较低的ATF54143,介绍了偏置电路、电路稳定性及输入输出匹配电路的设计 方法。仿真结果表明，设计的低噪声放大器具有低噪声、高增益的性能。通过本次设计，我了解了 ADS仿真软件的工作环境，能够熟练地应用 ADS 来设计电路，懂得了在设计过程中一定要耐心，细心，不断地对电路进行微调， 对放大器的各项指标加以权衡，只有这样才能最终得到最优的符合要求的电路。