基于ADS低噪放大器設計

1、xxx研究生射頻電路課程報告基于ADS的低噪放大器設計學生：xxx學號：xxx指導教師：xxx專業(yè)：電子與通信工程Xxxxxx一三年十一月O二目錄目錄11引言21.1 低噪聲放大器設計理論21.2 低噪聲放大器設計步驟21.3 本次設計主要性能指標21.4 小結32低噪聲放大器設計42.1 晶體管的選擇和下載42.2 直流分析42.3 偏置電路的設計52.4 穩(wěn)定性分析62.5 噪聲系數(shù)圓和輸入匹配82.6 最大增益的輸出匹配122.7 匹配網(wǎng)絡的實現(xiàn)142.8 原理圖仿真152.9 小結15引言11.1彳氐噪聲放大器設計理論低噪聲放大器的設計目標就是在選擇適當?shù)木w管后,通過設計適宜的輸入通

2、常在設計中采用輸出匹配網(wǎng)絡來到達極低的噪聲系數(shù)的同時獲得一定的增益,的設計中,需要考慮的最重要的幾個因素折中的方案來到達設計要求.在LNA如下：放大器的穩(wěn)定性：設計射頻放大器時,必須優(yōu)先考慮電路穩(wěn)定性.穩(wěn)定性是K指放大器抑制環(huán)境變化維持正常工作特性的水平.在設計中,絕對穩(wěn)定系數(shù)1,放大器才能到達絕對穩(wěn)定.必須大于放大器的功率增益：對輸入信號進行放大是放大器最重要的任務,因此在放而我們通常所說的增益主要指轉換功率大器的設計中增益指標的完成很是重要,Go增益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載之問的失配程度,所以設計時要求駐波比要保持在特定指標之下.放大器的噪聲：對放大器來

3、說,噪聲的存在對整個設計有重要影響,在低噪聲的前提下對信號進行放大是對放大器的根本要求.1.2彳氐噪聲放大器設計步驟晶體管的選擇、下載與安裝；直流分析；偏置電路設計；穩(wěn)定性分析；噪聲系數(shù)圓和輸入匹配；匹配網(wǎng)絡的實現(xiàn)；原理圖仿真.1.3 本次設計主要性能指標中央頻率fo=5.8GHz;帶寬B=300MHz;增益G=15dB;噪聲系數(shù)Nf小于等于3dB;Zin=Zout=50Q.1.4 小結本次對低噪聲放大器的設計,使用Agilent公司的高級設計軟件ADS2021仿真,首先確定了ATF35176晶體管的靜態(tài)工作點,得到晶體管ATF35176在直流偏置情況下的小信號電路的模型,然后設計了一個在中央

4、頻率為5.8GHz滿足指標要求的低噪聲放大器.2低噪聲放大器設計2.1 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和匹配網(wǎng)絡的設計.HP公司的ATF35176是一種低噪聲神化錢PHEMT器件,在理想的工作點下,在12GHz以下噪聲系數(shù)為0.75dB以下,是一款適用于工作在218GHz的低噪聲放大器,所以本設計選擇了此種晶體管.另外考慮放大器的增益指標,由于ATF35176單級增益可以到達為18dB,而本設計要求增益到達15dB,所以只需要單級電路就可以到達指標.ADS2021自帶的元器件庫里含有ATF35176元器件模型,不需要下載和安裝.2.2 直流分析設計第一步是確定晶體

5、管的直流工作點,根據(jù)ATF35176的datasheet設置DC_FET控件的參數(shù),連接原理圖后進行仿真.從ATF35176的數(shù)據(jù)手冊可以得到噪聲Vds和Ids的關系,從而確定靜態(tài)工作點.在6GHz時,當Vds=3V且Ids=20mA時,此時增益大約為16dB,能滿足設計要求,那么晶體管的直流工作點就設為Vds=3V,ds=20mA.圖2.1ATF35176的datasheet直流分析原理圖2.2圖.圖2.3ATF35176的直流特性2.3 偏置電路的設計創(chuàng)立一個新的原理圖,在原理圖中放入ATF35176的模型和DA_FETBias控件,選擇TransistorBiasUtiHty設置偏置電路

6、的屬性.仿真后有三個偏置電路可以選擇.有兩個網(wǎng)絡里面,晶體管的源極是有電阻的,但通常低噪放大器的設計中,源級只接反應電感微帶線,所以選用第一個偏置網(wǎng)絡.選定網(wǎng)絡后,得到了偏置子電路,根據(jù)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)標稱值,僅是理論計算結果,用相近的常規(guī)標稱值代替.圖2.4偏置電路原理圖偏置子電路2.5圖,圖2.6完成后的偏置電路原理圖2.4 穩(wěn)定性分析1 .進行S參數(shù)的仿真,添加控件TermsStabFactMaxGain.放大器的直流和交流之間的通路要添加射頻直流電路,它的實質是一個無源低通電路,使直流偏置信號能傳輸?shù)骄w管引腳,而晶體管的射頻信號不能進入直流通路

7、,在這里先用【DC_Feedl直流電感代替.同時,直流偏置信號不能傳到兩端的Term,需加隔直電容,【DC_Block】隔直電容代替.參加理想直流扼流和射頻扼流的原理圖2.7圖yiMiMCiS-dxiEiClnrk.1圖2.8最大增益和穩(wěn)定系數(shù)曲線仿真結束后,顯示MaxGain1和Stabfact1兩個圖表中觀察,從圖2.8我們可以看出,在5.8GHz時,最大增益為18.042dB,穩(wěn)定系數(shù)為K=0.646,絕對穩(wěn)定系數(shù)K1,說明電路不穩(wěn)定.2 .當電路不穩(wěn)定時,可以采用負反應電路形式解決問題,提升絕對穩(wěn)定系數(shù).本次設計中在漏極添加用聯(lián)電感作為負反應.通過反復調節(jié)反應電路,也就是串聯(lián)電感的數(shù)值

8、,使其在整個工作頻率范圍內穩(wěn)定.圖2.9晶體管源級添加負反應后的原理圖最大增益和穩(wěn)定系數(shù)曲線2.10圖和源極的兩個電感改成實際的器件、DC_Block3.接下來把理想的DC_Feed本設計中電源局部的電感和電容.MuRata和微帶線.本設計選用日本村田公司然后用給定的電對射頻信號進行阻隔和旁路.LGQ18和GRM18,用了扼流電感11.81L=l,其中L是電感值即0.3nH,Z感值算出等效的傳輸線的長度是微oZ?o帶線特征阻抗,得到l=0.58mm.全部換成真實器件和微帶線后,穩(wěn)定系數(shù)和增益根本到達要求.W*swirw圖2.11全部換成真實器件后的原理圖I-te-.-I.iIjrm*1NL&(

9、if,Wjwvilii圖2.12最大增益和穩(wěn)定系數(shù)曲線2.5 噪聲系數(shù)圓和輸入匹配當最大增益和穩(wěn)定系數(shù)到達指標后,接下來就要設計一個適當?shù)妮斎肫ヅ渚W(wǎng)絡來實現(xiàn)最小噪聲系數(shù).先進行仿真,在數(shù)據(jù)顯示窗口面板,輸入等式：輸入等式2.13圖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；返回增益圓.的史密斯圓圖和GaCircle圖2.14circleData查看史密斯圓圖,選擇適宜的阻抗值,在設計時,必須在增益和噪聲系數(shù)之間做一個權衡,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m5點的阻抗(43.15+j*25.60Q),通過使用DA_SmithC

10、hartMatch工具,對電路進行輸入匹配.工具DA_SmithChartMatch參加2.14圖n?-II*MI-.3tifcFacr-5-=Lir2.W即蠅WHSi4JWfEEM卜力一2-r二圖2.15設置DA_SmithChartMatch參數(shù)圖2.16設置SmithChartUtility工具的阻抗微帶線匹配2.17SmithChartUtility圖2.18匹配子線路圖2.19匹配后輸入阻抗.,甲l想i.inH*li；iti,iip.-|iii：ir(1DJjMFriifr.11fkiirpfrflf7Rnre145fl51野jkfiilaqa會變Ird同W四小U151r2/16.口

11、圖2.21Tuning后仿真結果22.6 最大增益的輸出匹配輸出端的匹配需要此時晶體管的輸出端阻抗,插入Zin控件,查看輸出阻抗的實部和虛部,得到輸出阻抗為28.109j*12.593Q,為了到達最大增益,輸出匹配要50Q匹配至IZin的共腕.通過使用DA_SmithChartMatch工具,對電路進行輸出匹配.圖2.22輸出阻抗的曲線ui*11&3Bif瞭1一.HIT曾升,圖2.23設置SmithChartUtility工具的參數(shù)工具的輸出阻抗SmithChartUtility設置2.24圖圖2.25SmithChartUtility微帶線匹配圖2.26匹配子線路圖2.27Tuning后仿真

12、結果3OXQpipnZi=BCClhiASJGreXfW!re管書.,ik,4圖2.28Tuning后仿真結果匹配網(wǎng)絡的實現(xiàn)2.7理想微帶線,其參數(shù)只有特性阻抗、電長度和頻率,需要換算成實際的標明,所有微帶線的特征阻抗都ADS物理長度的微帶線,使用自帶的工具LineCalc是50Q電長度degree特征阻抗oh物理長度m5.9912TH55081.43711.6785059.237TH66.103675.22450TH722.48650TH854.316表2.1微帶線的電長度和物理長度低噪聲放大器的總電路圖2.29圖2.8 原理圖仿真經(jīng)過以上各局部的設計,將匹配網(wǎng)絡添加到低噪放大電路中,得到完整的低噪放電路,進行仿真.圖2.30總仿真結果圖穩(wěn)定系數(shù)矩形圖中StabFactl的曲線可以看出,穩(wěn)定系數(shù)K在頻率范圍內大于1,說明放大器在頻率范圍內穩(wěn)定,滿足絕對穩(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4.8GHz-6.8GHz的范圍內都在1.2dB以下,滿足設計要求中要求的噪聲系數(shù)小于3的指標.在S參數(shù)矩形圖中可以看出增益系數(shù)S21,在5.65GHz-5.95GHz頻率范圍內,增益的最小值為S21min=15.