低噪声放大器的设计方法.

设计实验3低噪声放大器的设计1.实验目的熟练掌握低噪声放大器(LowNoiseAmplifier,LNA)的工作原理，基本指标；熟练掌握低噪声放大器的设计方法；学习如何使用ADS进行射频和微波有源电路的仿真，设计和优化。2.LNA设计的依据与步骤依据：1.满足规定的技术指标噪声系数（或噪声温度）；功率增益；增益平坦度；工作频带；动态范围2.输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50完整设计步骤：1.确定放大器级数2.选择合适晶体管3.决定电路拓朴结构4.电路初步设计5.用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟3.LNA基本电路模块和设计原则输入匹配优先满足低噪声要求，即根据输入等增益圆、等噪声圆，选取合适的s，作为输入匹配电路设计依据；输出匹配电路设计以提高放大器增益为主，即选取合适的L=2*作为输出匹配电路设计依据，其中1，2的表达式详见教材相应章节；满足稳定性条件，且结构工艺上易实现。输入匹配电路输出匹配电路微波器件[S]P3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0Γ1Γ2ΓsΓLZinZoutZsZL4.用ADS进行LNA的设计本节主要讲述以下几个方面的内容：1.如何选择合适的晶体管；2.如何用ADS进行晶体管的稳定性设计；3.如何用ADS画出晶体管的等增益圆和等噪声系数圆；4.如何用ADS进行LNA输入输出匹配电路设计；5.如何用ADS进行LNA电路整体性能的仿真。将设计的LNA指标为：1.工作频率f=12GHz；2.输出VSWR=1.5带宽800MHz以上；3.输出噪声系数nf(2)1dB，功率增益12dB；4.1晶体管的选择打开ADS软件，点击CreateANewProject创建新的工程，名为MW_LNA，长度单位为mm4.1晶体管的选择（续）点击OK后同时弹出一个原理图窗口，先保存设计。由于我们将在这个原理图窗口中进行晶体管的基于s参数的仿真设计，因此这里将其命名为FET_sp4.1晶体管的选择（续）点击进入ADS自带的元件库，在弹出窗口上方点击，进行查找。这里我们所需要的晶体管为Agilent的ATF-36077，因此我们只需输入关键字36077进行查找，注意查找范围为所有器件库。点击Apply，稍后会显示查找结果如右图。其中前缀为ph表示晶体管大信号模型，使用时需要添加一定的偏置电路；前缀为sp的表示晶体管s参数模型，是在特定偏置条件下，一定频段范围内测试得到的晶体管s参数，可以直接使用，但是不能用来进行直流偏置仿真。一般sp模型用于电路的初始设计，这种模型由于是基于测试的结果，因此精度最好4.1晶体管的选择（续）这里先选择s参数模型的场效应晶体管sp_hp_ATF-36077_19940627进行初始设计；从下图可以看出，该晶体管的偏置情况为Vds=1.5V，Id=10mA。模型适用频率范围为0.5~18.0GHz，如果所设计的电路的工作频率不在这个范围内，就需要考虑换其它型号的晶体管。4.2晶体管稳定性设计原理图窗口左上角下拉列表选择在左侧工具栏中选择，在原理图中添加两个term后连接电路如下图所示。4.2晶体管稳定性设计(续)左侧工具栏中选择和，分别在原理图中放置一个s参数仿真控件和一个环境变量控制控件。并如右图所示将OPTIONS控件中的噪声仿真温度Temp改为IEEE标准温度16.850C4.2晶体管稳定性设计(续)将s参数仿真控件改为单点仿真模式。双击原理图中的控件S-PARAMETERS，在弹出窗口中选择Frequency标签，在下拉列表框中选择singlepoint，Frequency为12GHz（下页左图）；选择Noise标签，勾上CalculateNoise选项，在s参数仿真中包括噪声参数（下页中图）；再选择Display标签，勾上Freq选项，将所仿真的频率显示出来（下页右图）4.2晶体管稳定性设计(续)4.2晶体管稳定性设计(续)修改好后的电路图如下图所示4.2晶体管稳定性设计(续)选择放置一个稳定系数计算控件，以自动计算晶体管的Rollett因子。将控件名字由StabFact1改为K；选择在原理图中插入公式：Mag_delta=mag(S11*S22-S12*S21)4.2晶体管稳定性设计(续)点击或按下F7开始仿真仿真结束后弹出数据显示窗口。点击左边工具栏中的，采用数据列表的方式显示K,Mag_delta,以及晶体管噪声参数Rn,Sopt,和NFmin如下图所示。结果Mag_delta1,K1,说明晶体管是潜在稳定的，因此有必要进行稳定性设计4.2晶体管稳定性设计(续)原理图窗口左边工具栏中点击和，分别添加源稳定性圆和负载稳定性圆计算控件。并将控件中第二个参数由51改为1014.2晶体管稳定性设计(续)按下F7仿真后弹出数据显示窗口，选择左边工具栏中的，将源稳定圆和负载稳定圆显示在Smith圆图中。双击圆图，选择弹出对话框中的PlotOption标签，取消AutoScale，在Max对话框中填1。选择Marker-New在圆稳定圆上添加一个数据Marker。按下方向键移动Marker，可以看出圆稳定圆上对应阻抗实部的最大值为Z0*0.024=1.2Ohm，也就是说只要在晶体管输入端串联一个阻值大于1.2Ohm的电阻就可以使晶体管处于绝对稳定状态4.2晶体管稳定性设计(续)修改原理图，在晶体管栅极添加一个1.5Ohm的电阻。修改S参数仿真控件为Linear仿真模式，频率范围为11.5~12.5GHz，步距0.01GHz。4.2晶体管稳定性设计(续)仿真过后，在数据窗口中选择以曲线方式显示K，Mag_delta，以及NFmin。可以看出在输入端串联电阻后，晶体管在工作频率附近都处于绝对稳定状态。同时噪声性能也有所下降。4.3等噪声系数圆和等增益圆s=Sopt时，放大器具有最低的噪声系数，但一般不能满足功率增益的要求。因此通常情况下只能选择接近Sopt的s来寻求噪声系数和功率增益的折中。s的选取是通过在s圆图上画出一系列等噪声系数圆和等增益圆来实现的在原理图中左上角下拉列表选择再在左侧工具栏中选择添加一个最大可用功率增益计算控件。这样ADS会自动根据仿真得到的s参数计算晶体管的最大可用功率增益4.3等噪声系数圆和等增益圆（续）将s参数仿真控件重新设置为单点仿真模式后原理图如下所示。按下F7开始仿真。4.3等噪声系数圆和等增益圆（续）在仿真结束后弹出数据显示窗口中采用数据列表方式显示出最大可用功率增益为MaxGain1=15.059dB。然后点击左边工具栏中的按钮在弹出窗口中输入下图所示的表达式。点击Ok在数据显示窗口中插入一个公式。公式中ga_circle(S,MaxGain1,101)为ADS自带的计算等增益圆的函数，其中MaxGain1表示等增益圆所代表的增益水平，101为每个圆上的数据点数。每个参数的详细意义可以参见相关help文档。4.3等噪声系数圆和等增益圆（续）重复以上操作，分别插入增益为MaxGain1-0.5dB，MaxGain1-1.0dB和MaxGain1-1.5dB三个等增益圆的计算公式。类似的方法再添加两个等噪声系数圆的计算公式。等噪声系数圆的调用函数为ns_circle(Nf,NFmin,Sopt,Rn/50,101)，其中第一个参数为所要求的噪声系数水平，单位为dB，其他参数的意义参见相应的help文档。4.3等噪声系数圆和等增益圆（续）选择Smith圆图显示方式。弹出对话框中先将Sopt加入显示列表，然后在左上角的下拉列表里选择Equations，将刚才插入的等增益圆和等噪声系数圆加入显示列表中，点击OK4.3等噪声系数圆和等增益圆（续）如右图所示添加一个数据Marker,并插入下图所示的三个公式分别计算Γs,Γout和ΓL从下页左图圆图中可以看出，要取得牺牲1.5dB的功率增益，就可以将噪声系数控制在1dB以下，此时Γs,Γout和ΓL及其对应阻抗如下页右图所示，可以看出输出反射系数是共轭匹配的4.3等噪声系数圆和等增益圆（续）4.4输入输出匹配设计匹配电路设计可以采用微带天线设计实验中的优化方法。这里介绍一种通过利用ADS自带的参数调节功能，手动调节传输线参数实现匹配的方法。新建原理图设计，保存名称为LNA_match_s。采用T形分支线进行匹配。选择微带线元件和s参数仿真控件建立微带线电路如下。用传输线计算工具算出50Ohm微带线宽度为2.35mm4.4输入输出匹配设计（续）双击微带线TL1，弹出窗口中选中微带线长度L，点击右边按钮Tune/Opt/Stat/DOESetup，设置微带线长度参数为可调，调节范围为0.5~5mm。同理设置TL2的长度参数也在同样的范围内可调4.4输入输出匹配设计（续）先仿真一遍。弹出数据显示窗口，插入公式Gamma_s=polar(0.502,172.027),这里polar(0.502,172.027)即为前面选择的Γs的极坐标形式。然后将Gamma_s和S11一同显示在一个Smith圆图中(如下图所示)。可以看出S11参数离期望的Γs值还比较远。需要对微带线长度进行调节使图中两点重合4.4输入输出匹配设计（续）在原理图顶端工具栏中点击，弹出参数调节窗口。可以看到先前定义的可调参数已经在列表中。如果此时还需要添加其他参数，只需用鼠标点击原理图中相应元件并选择对应参数即可。4.4输入输出匹配设计（续）点击箭头或拖动滚动条调节TL1.L和TL2.L的大小，同时观察Smith圆图中S11是否逐渐靠近Gamma_s（下页图）调节过程中注意根据S11的移动情况改变参数调节方向。调节窗口顶部对话框中显示出了参数的当前值，底部的对话框中显示出当前调节的步距。当S11和Gamma_s靠得很近的时候，需要减小调节步距来取得较高的精度。但同时也要注意步距不能太小，一般最小步距为0.01mm即可4.4输入输出匹配设计（续）4.4输入输出匹配设计（续）参数调节后的最终状态应如下图所示S11和Gamma_s基本上完全重合4.4输入输出匹配设计（续）点击UpdateSchematic，将原理图中的参数更新为调节后的值4.4输入输出匹配设计（续）采用同样的方法建立原理图设计LNA_match_L对负载进行匹配，结果如图所示4.5整体电路性能仿真新建名为LNA_total的原理图设计，将前面得到的源和负载匹配电路，以及经过稳定性设计后的晶体管复制到新原理图窗口中，建立s参数仿真电路图如下所示。4.5整体电路性能仿真（续）左上角下拉列表选择点击添加功率增益测量控件测量电路的功率增益；点击添加驻波系数测量控件。将控件中等号左边的名称改成Output_VSWR，由于这里我们要测量电路的输出驻波系数，因此还需要将等号右边的参数由默认的S11改为S22；点击增益波纹测量控件，测量增益的变化情况；点击添加稳定系数测量控件。最终电路图如下页图所示4.5整体电路性能仿真（续）4.5整体电路性能仿真（续）下图所示为整体电路的稳定系数，可见在12GHz附近电路都是绝对稳定的。如果遇到12GHz附近电路稳定系数1，则需要重新设计以保证电路工作于绝对稳定状态4.5整体电路性能仿真（续）下图所示为仿真得到的S参数曲线，可以看出LNA工作在12GHz，输出匹配很好，输入失配较严重，这是优先考虑噪声匹配的结果4.5整体电路性能仿真（续）将测量得到的输出主播系数Output_VSWR以曲线形式显示出来，在曲线上添加两个Marker（如下页图所示的m3,m4）；按下方向键使得两个Marker显示的值都在1.5左右；按下shift键，鼠标单击选中两个Marker，然后选中菜单Marker-DeltaModeOn。在弹出窗口中选择m3作为参考，m4中显示的值即为m4的值与m3的值之差，这样我们就可以估计出电路的输出VSWR带宽。由下页图可以看出，电路的输出驻波系数为1.5的带宽大约为910MHz，达到了设计要求4.5整体