鉴于ADS低噪放大器设计
xxx 研究生射频电路课程报告
鉴于 ADS 的低噪放大器设计
学
生： xxx 号： xxx
学
指导教师： xxx 专
业：电子与通讯工程
Xxxxxx
二 O 一三年十一月
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鉴于ADS低噪放大器设计
目 录
目 录 ................................................................................................................................................................................................................................................... 1
1 前言................................................................................................................................................................................................................................................. 2
1.1 低噪声放大器设计理论 ........................................................................................................................................................................................ 2 1.2 低噪声放大器设计步骤 ........................................................................................................................................................................................ 2 1.3 本次设计主要性能指标 ........................................................................................................................................................................................ 2 1.4 小结 ..................................................................................................................................................................................................................................... 3
2 低噪声放大器设计 ...................................................................................................................................................................................................... 4
2.1 晶体管的选择和下载............................................................................................................................................................................................. 4 2.2 直流剖析 ......................................................................................................................................................................................................................... 4 2.3 偏置电路的设计 ........................................................................................................................................................................................................ 5 2.4 稳固性剖析 ................................................................................................................................................................................................................... 6 2.5 噪声系数圆和输入般配 ....................................................................................................................................................................................... 8 2.6 最大增益的输出般配......................................................................................................................................................................................... 12 2.7 般配网络的实现 ..................................................................................................................................................................................................... 14 2.8 原理图仿真 ................................................................................................................................................................................................................ 15 2.9 小结 ................................................................................................................................................................................................................................. 15
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1 前言
1.1 低噪声放大器设计理论
低噪声放大器的设计目标就是在选择适合的晶体管后，经过设计适合的输入 输出般配网络来达到极低的噪声系数的同时获取必定的增益， 往常在设计中采纳折中的方案来达到设计要求。在 LNA 的设计中，需要考虑的最重要的几个要素以下：
放大器的稳固性：设计射频放大器时，一定优先考虑电路稳固性。稳固性是
指放大器克制环境变化保持正常工作特征的能力。在设计中，绝对稳固系数
一定大于 1，放大器才能达到绝对稳固。
放大器的功率增益：对输入信号进行放大是放大器最重要的任务，所以在放大器的设计中增益指标的达成非常重要， 而我们往常所说的增益主要指变换功率增益 G。
放大器输入输出驻波比：驻波比反应了信源与晶体管及晶体管与负载之间的失配程度，所以设计时要求驻波比要保持在特定指标之下。
放大器的噪声：对放大器来说，噪声的存在对整个设计有重要影响，在低噪声的前提下对信号进行放大是对放大器的基本要求。
1.2 低噪声放大器设计步骤
晶体管的选择、下载与安装；
直流剖析；
偏置电路设计；
稳固性剖析；
噪声系数圆和输入般配；
般配网络的实现；
原理图仿真。
1.3 本次设计主要性能指标
中心频次 fo=5.8GHz； 带宽 B=300MHz ；
增益 G=15dB；
噪声系数 Nf 小于等于 3dB；
Zin=Zout =50Ω。
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1.4 小结
本次对低噪声放大器的设计， 使用 Agilent 企业的高级设计软件
真，第一确立了 ATF35176 晶体管的静态工作点，获取晶体管 偏置状况下的小信号电路的模型，而后设计了一个在中心频次为
ADS2009 仿 ATF35176 在直流
5.8GHz 知足指
标要求的低噪声放大器。
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2 低噪声放大器设计
2.1 晶体管的选择和下载
低噪声放大器的性能取决于有源器件的噪声特征和般配网络的设计。
HP 公
司的 ATF35176 是一种低噪声砷化镓 PHEMT 器件，在理想的工作点下，在 12GHz 以下噪声系数为 0.75 dB 以下，是一款合用于工作在 2~18 GHz 的低噪声放大器，
所以本设计选择了此种晶体管。此外考虑放大器的增益指标，因为
ATF35176 单
级增益能够达到为 18dB，而本设计要求增益达到 15dB，所以只要要单级电路就 能够达到指标。
ADS2009 自带的元器件库里含有 ATF35176元器件模型，不需要下载和安装。
2.2 直流剖析
设计第一步是确立晶体管的直流工作点，依据
ATF35176 的 datasheet设置
DC_FET 控件的参数，连结原理图后进行仿真。从 ATF35176 的数据手册能够获取噪声 Vds 和 Ids 的关系，进而确立静态工作点。在 6GHz 时，当 Vds=3V 且
Ids=20mA 时，此时增益大概为 16dB，能知足设计要求，那么晶体管的直流工作点就设为 Vds=3V， ds=20mA。
图 2.1 ATF35176 的 datasheet
图 2.2
直流剖析原理图
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图 2.3 ATF35176 的直流特征
2.3 偏置电路的设计
创立一个新的原理图，在原理图中放入 ATF35176 的模型和 DA_FETBias 控件，选择 Transistor Bias Utility 设置偏置电路的属性。仿真后有三个偏置电路能够选择。有两个网络里面，晶体管的源极是有电阻的，但往常低噪放大器的设计中，源级只接反应电感（微带线） ，所以采纳第一个偏置网络。选定网络后，获取了偏置子电路， 依据子电路画出偏置原理图， 此中偏置子电路中一些电阻值不是惯例标称值，仅是理论计算结果，用邻近的惯例标称值取代。
图 2.4
偏置电路原理图
图 2.5
偏置子电路
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图 2.6
达成后的偏置电路原理图
2.4 稳固性剖析
1.进行 S 参数的仿真，增添控件 Term、StabFact、MaxGain。放大器的直流和沟通之间的通路要增添射频直流电路， 它的实质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，
而晶体管的射频信号不可以进入直流通路， 在这里
先用【 DC_Feed】直流电感取代。同时，直流偏置信号不可以传到两头的 Term， 需加隔直电容，【DC_Block 】隔直电容取代。
图 2.7 加入理想直流扼流和射频扼流的原理图
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图 2.8
最大增益和稳固系数曲线
仿真结束后，显示 MaxGain1 和 Stabfact1两个图表中察看，从图 2.8 我们能够看出，在 5.8GHz 时，最大增益为 18.042dB，稳固系数为 K=0.6，绝对稳固系数 K ＜1，说明电路不稳固。
2. 当电路不稳准时，能够采纳负反应电路形式解决问题， 提升绝对稳固系数。本次设计中 在漏极增添串连电感作为负反应。 经过频频调理反应电路， 也就是串连电感的数值，使其在整个工作频次范围内稳固。
图 2.9
晶体管源级增添负反应后的原理图
图 2.10
最大增益和稳固系数曲线
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3.接下来把理想的 DC_Feed、 DC_Block 和源极的两个电感改成实质的器件和微带线。本设计采纳 MuRata(日本村田企业 )的电感和电容。本设计中电源部分用了扼流电感 LGQ18 和 GRM18 ，对射频信号进行隔断和旁路。 而后用给定的电
感值算出等效的传输线的长度（
l =
11 .81L
ZO
r
，此中 L 是电感值即 0.3nH，ZO 是微
带线特点阻抗，获取 l=0.58mm）。所有换成真切器件和微带线后，稳固系数和增益基本达到要求。
图 2.11
所有换成真切器件后的原理图
图 2.12
最大增益和稳固系数曲线
2.5 噪声系数圆和输入般配
当最大增益和稳固系数达到指标后， 接下来就要设计一个适合的输入般配网络来实现最小噪声系数。先进行仿真，在数据显示窗口面板，输入等式：
图 2.13
输入等式
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它们代表的意思分别是返回值是前面定义的 m1 的频次，即 5.8GHz；返回噪声系数圆；返回增益圆。
图 2.14 circleData和 GaCircle 的史密斯圆图
查察史密斯圆图，选择适合的阻抗值，在设计时，一定在增益和噪声系数之
间做一个衡量，而低噪放大器，第一要考虑最小噪声系数。那么最优的输入端阻
抗就定为 m5 点的阻抗（43.15+j*25.60Ω），经过使用 DA_Smith Chart Match 工具，
对电路进行输入般配。
图 2.14
加入 DA_Smith Chart Match 工具
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图 2.15
设置 DA_Smith Chart Match 参数
图 2.16 设置 Smith Chart Utility
工具的阻抗
图 2.17 Smith Chart Utility
微带线般配
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图 2.18
般配子线路
图 2.19
般配后输入阻抗
图 2.20 Tuning 后仿真结果 1
图 2.21 Tuning 后仿真结果
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2.6 最大增益的输出般配
输出端的般配需要此时晶体管的输出端阻抗，插入
Zin 控件，查察输出阻抗
的实部和虚部，获取输出阻抗为 28.109-j*12.593Ω，为了达到最大增益，输出般配要 50Ω 般配到 Zin 的共轭。经过使用 DA_Smith Chart Match 工具，对电路进行输出般配。
图 2.22
输出阻抗的曲线
图 2.23 设置 Smith Chart Utility
工具的参数
图 2.24 设置 Smith Chart Utility
工具的输出阻抗
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图 2.25 Smith Chart Utility
微带线般配
图 2.26
般配子线路
图 2.27 Tuning 后仿真结果
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图 2.28 Tuning 后仿真结果
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2.7 般配网络的实现
理想微带线，其参数只有特征阻抗、电长度和频次，需要换算成实质的注明物理长度的微带线，使用 ADS 自带的工具 LineCalc，所有微带线的特点阻抗都
是 50Ω。
电长度（ degrees） 81.437 59.237 75.224 54.316
特点阻抗（ ohm） 50 50 50 50
物理长度（ mm ） 5.9912 11.678 6.1036 22.486
TH5 TH6 TH7 TH8
表 2.1 微带线的电长度和物理长度
图 2.29 低噪声放大器的总电路图
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2.8 原理图仿真
经过以上各部分的设计，将般配网络增添到低噪放大电路中，获取完好的低噪放电路，进行仿真。
图 2.30
总仿真结果图
稳固系数矩形图中 StabFact1的曲线能够看出，稳固系数 K 在频次范围内大于 1，说明放大器在频次范围内稳固，知足绝对稳固的要求。
在 nf(2)的曲线能够看出，低噪声放大器的噪声系数在 4.8GHz-6.8GHz 的范围内都在 1.2dB 以下，知足设计要求中要求的噪声系数小于 3 的指标。
在 S 参数矩形图中能够看出增益系数 S21，在 5.65GHz-5.95GHz 频次范围内，增益的最小值为 S21min=15.016 dB、最大值为 S21max=15.965dB，在 300MHz
带宽范围内，增益的衰减小于
1dB，知足设计要求。
2.9 小结
本报告介绍了一种鉴于 PHEMT 管的低噪声放大器的设计过程， 所设计的低噪放大器达到了预期指标。 采纳负反应技术和稳固性举措知足了增益平展度和绝对稳固性要求， 简要介绍了输入输出般配的设计过程， 省去了复杂的理论剖析计算，提升了工作效率，对低噪声放大器的 CAD 设计拥有很大的现实意义。
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