基于ADS低噪放大器设计

基于ADS的低噪放大器设计

学    生：xxx

学    号：xxx

指导教师：xxx

专    业：电子与通信工程

Xxxxxx

二O一三年十一月

1 引言

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当的晶体管后，通过设计合适的输入输出匹配网络来达到极低的噪声系数的同时获得一定的增益，通常在设计中采用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因素如下：

   放大器的稳定性：设计射频放大器时，必须优先考虑电路稳定性。稳定性是指放大器抑制环境变化维持正常工作特性的能力。在设计中，绝对稳定系数K必须大于1，放大器才能达到绝对稳定。

   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，因此在放大器的设计中增益指标的完成很是重要，而我们通常所说的增益主要指转换功率增益G。

   放大器输入输出驻波比：驻波比反映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；

   直流分析；

   偏置电路设计；

   稳定性分析；

   噪声系数圆和输入匹配；

   匹配网络的实现；

   原理图仿真。

1.3 本次设计主要性能指标

  中心频率fo=5.8GHz；   

   带宽B=300MHz；  

   增益G=15dB；   

   噪声系数Nf小于等于3dB；  

   Zin=Zout=50Ω。

1.4 小结

    本次对低噪声放大器的设计，使用Agilent公司的高级设计软件ADS2009仿真，首先确定了ATF35176晶体管的静态工作点，得到晶体管ATF35176在直流偏置情况下的小信号电路的模型，然后设计了一个在中心频率为5.8GHz满足指标要求的低噪声放大器。

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性和匹配网络的设计。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，是一款适用于工作在2~18 GHz的低噪声放大器，所以本设计选择了此种晶体管。另外考虑放大器的增益指标，由于ATF35176单级增益可以达到为18dB，而本设计要求增益达到15dB，所以只需要单级电路就可以达到指标。

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直流分析

设计第一步是确定晶体管的直流工作点，根据ATF35176的datasheet设置DC_FET控件的参数，连接原理图后进行仿真。从ATF35176的数据手册可以得到噪声Vds和Ids的关系，从而确定静态工作点。在6GHz时，当Vds=3V且Ids=20mA时，此时增益大约为16dB，能满足设计要求，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 直流分析原理图

图2.3 ATF35176的直流特性

2.3偏置电路的设计

    创建一个新的原理图，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可以选择。有两个网络里面，晶体管的源极是有电阻的，但通常低噪放大器的设计中，源级只接反馈电感（微带线），所以选用第一个偏置网络。选定网络后，得到了偏置子电路，按照子电路画出偏置原理图，其中偏置子电路中一些电阻值不是常规标称值，仅是理论计算结果，用相近的常规标称值代替。

图2.4 偏置电路原理图

图2.5 偏置子电路

图2.6 完成后的偏置电路原理图

2.4稳定性分析

1.进行S参数的仿真，添加控件Term、StabFact、MaxGain。放大器的直流和交流之间的通路要添加射频直流电路，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能进入直流通路，在这里先用【DC_Feed】直流电感代替。同时，直流偏置信号不能传到两端的Term，需加隔直电容，【DC_Block】隔直电容代替。

图2.7 加入理想直流扼流和射频扼流的原理图

图2.8 最大增益和稳定系数曲线

仿真结束后，显示MaxGain1和Stabfact1两个图表中观察，从图2.8我们可以看出，在5.8GHz时，最大增益为18.042dB，稳定系数为K=0.6，绝对稳定系数K＜1，说明电路不稳定。

2.当电路不稳定时，可以采用负反馈电路形式解决问题，提高绝对稳定系数。本次设计中在漏极添加串联电感作为负反馈。通过反复调节反馈电路，也就是串联电感的数值，使其在整个工作频率范围内稳定。

图2.9 晶体管源级添加负反馈后的原理图

图2.10 最大增益和稳定系数曲线

3.接下来把理想的DC_Feed、DC_Block和源极的两个电感改成实际的器件和微带线。本设计选用MuRata(日本村田公司)的电感和电容。本设计中电源部分用了扼流电感LGQ18和GRM18，对射频信号进行阻隔和旁路。然后用给定的电感值算出等效的传输线的长度（，其中L是电感值即0.3nH，ZO 是微带线特征阻抗，得到l=0.58mm）。全部换成真实器件和微带线后，稳定系数和增益基本达到要求。

图2.11 全部换成真实器件后的原理图

图2.12 最大增益和稳定系数曲线

2.5噪声系数圆和输入匹配

    当最大增益和稳定系数达到指标后，接下来就要设计一个适当的输入匹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

它们代表的意思分别是返回值是前面定义的m1的频率，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

查看史密斯圆图，选择合适的阻抗值，在设计时，必须在增益和噪声系数之间做一个权衡，而低噪放大器，首先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），通过使用DA_Smith Chart Match工具，对电路进行输入匹配。

图2.14 加入DA_Smith Chart Match工具

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微带线匹配

图2.18 匹配子线路

图2.19 匹配后输入阻抗

图2.20 Tuning后仿真结果1

图2.21 Tuning后仿真结果2

2.6最大增益的输出匹配

    输出端的匹配需要此时晶体管的输出端阻抗，插入Zin控件，查看输出阻抗的实部和虚部，得到输出阻抗为28.109-j*12.593Ω，为了达到最大增益，输出匹配要50Ω匹配到Zin的共轭。通过使用DA_Smith Chart Match工具，对电路进行输出匹配。

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

图2.25 Smith Chart Utility微带线匹配

图2.26 匹配子线路

图2.27 Tuning后仿真结果3

图2.28 Tuning后仿真结果4

2.7匹配网络的实现

理想微带线，其参数只有特性阻抗、电长度和频率，需要换算成实际的标明物理长度的微带线，使用ADS自带的工具LineCalc，所有微带线的特征阻抗都是50Ω。

图2.29 低噪声放大器的总电路图

2.8原理图仿真

 经过以上各部分的设计，将匹配网络添加到低噪放大电路中，得到完整的低噪放电路，进行仿真。

图2.30 总仿真结果图

    稳定系数矩形图中StabFact1的曲线可以看出，稳定系数K在频率范围内大于1，说明放大器在频率范围内稳定，满足绝对稳定的要求。

    在nf(2)的曲线可以看出，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，满足设计要求中要求的噪声系数小于3的指标。

在S参数矩形图中可以看出增益系数S21，在5.65GHz-5.95GHz频率范围内，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，满足设计要求。

2.9小结

本报告介绍了一种基于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。采用负反馈技术和稳定性措施满足了增益平坦度和绝对稳定性要求，简要介绍了输入输出匹配的设计过程，省去了复杂的理论分析计算，提高了工作效率，对低噪声放大器的CAD设计具有很大的现实意义。