低噪声放大器

基于ADS的低噪声放大器设计•汇报人：杨辉•指导老师：施阳•时间：2012年5月研究概述•背景意义•低噪声放大器是现代无线通信、雷达、电子对抗系统等应用中一个非常重要的部分，常用于接收系统的前端，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数将主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。研究概述•任务与目标•本次毕业设计的主要要求是熟悉理解低噪声放大器的工作原理，并熟练运用ADS2006仿真软件进行低噪声放大器的仿真设计。本次设计的是工作频率在2.4-2.5GISM频段,噪声系数NF0.7，增益Gain15，VSWRin1.5，VSWRout1.5的低噪声放大器，并对设计的模型进行优化。研究综述•低噪声放大器的设计•本次采用的是安捷特公司的高电子迁移率晶体管（PHEMT）ATF54143芯片进行低噪声放大器的设计。•本次设计的主要步骤主要有•（1）直流分析；•（2）偏置电路分析；•（3）稳定性分析；•（4）噪声系数圆和输入匹配；•（5）最大增益的输出匹配；•（6）匹配网络的实现。研究综述•直流分析•设计LNA的第一步是确定晶体管的直流工作点。研究综述•直流分析•仿真结果如下图所示：研究综述•直流分析•从ATF54143的数据手册上可以看到噪声和Vds和Ids的关系，从而确定晶体管工作点。在2GHz时，当Vds=3V且Ids=20mA时，Fmin接近最小值。此时，增益大约为16.3dB，能满足设计要求，那么晶体管直流工作点就设为Vds=3V，Ids=20mA。研究综述•偏置电路分析•创建新的原理图，在原理图中放入ATF54143的模型和“DA_FETBias”控件。研究综述•偏置电路分析•添加各种元器件和控件，完成偏置电路。研究综述•稳定性分析•加入理想直流扼流和射频扼流并设置相应参数的原理图。研究综述•稳定性分析•从仿真图看出，在2.45GHz时，最大增益为19.812dB，稳定性系数为K=0.895，小于1。从晶体管放大器理论可知，只有绝对稳定系数K1，放大器电路才会稳定，这里K1，不稳定。研究综述•稳定性分析•为了使系统稳定加入负反馈。研究综述•稳定性分析•反复调节反馈电感，使其在整个工作频率范围内稳定。X最终定为0.45nH。整个电路在低频部分不稳定，并且低频部分增益还很高，解决此问题的方法是在电路中串联或并联小电阻。研究综述•稳定性分析•接下来，把理想DC_Feed元器件改为实际器件，选用MuRata（日本村田公司）的电容和电感。研究综述•稳定性分析•从下图可以看出，电路在低频部分已经稳定了。下面需要把晶体管源极的两个电感换成微带线的形式。一方面是因为这两个电感值太小，实际的电感很难做到；另一方面是因为从调节这两个电感值就可以发现，这两个电感值稍微改变，就会对整个电路稳定性产生很大影响。研究综述•稳定性分析•下图中，晶体管源极微带线宽为0.5mm，其特征阻抗为87.0502Ohm，最后算出的长度为0.739mm。再把晶体管两端“DC_block”理想元器件换成真实器件，仍然选用MuRata电容，两个隔直电容都选用“GRM18”系列，电容值为22PF。研究综述•稳定性分析•从图中可以看出，全部换成真实器件后稳定系数和增益依然很好。研究综述•噪声系数圆和输入匹配•从图中看出，在2.350GHz时的最小噪声系数为0.485dB。接下来就要设计一个适当得输入匹配网络来实现最小噪声系数。研究综述•噪声系数圆和输入匹配•在图中，m2是LNA有最大增益时的输入端阻抗，此时可获得增益约为16.49dB；m4为LNA有最小噪声系数时的输入端阻抗，此时可获得最小噪声指数为0.49dB。研究综述•噪声系数圆和输入匹配•对于低噪声放大器，尤其是第一级放大器，首先考虑的是最小噪声，所以这里优先考虑噪声，那么最优的输入端阻抗就定为m4点的阻抗。其中定为50Ohm，则输入端阻抗就为25.7-j*14.1Ohm。这时，可以看出m4处的增益大约比m3点略小（m3处增益为15.98dB）。为了达到最小噪声系数，在晶体管的输入端需要满足最佳源反射系数的要求，而整个电路的输入阻抗，所以需要输入匹配网络把（为m4处阻抗的共轭，即25.7+j*14.1）变换到输入阻抗50Ohm。如图所示为输入匹配框图。研究综述•噪声系数圆和输入匹配•通过添加Smith圆图匹配工具DA_SmithChartMatch工具来完成匹配后原理图。研究综述•噪声系数圆和输入匹配•可以使用调整工具来调整两段传输线的长度（现在原理图中输入匹配电路的微带线显示的是电长度）。在调整时可以观察数据显示窗口的相关曲线的变化，以达到理想效果。最后，调整TL3和TL4的电长度分别为25.3834deg和44.31deg可以得到一个较小的噪声系数和输入反射系数（dBS11）。研究综述•噪声系数圆和输入匹配研究综述•最大增益的输出匹配•在原理图中添加Zin控件，并改为输出阻抗，选择Zin的实部和虚部，从图看出，输出阻抗为76.593-j*22.710Ohm（即S22）。研究综述•最大增益的输出匹配•为了达到最大增益，输出匹配电路需要把50Ohm匹配到Zin的共轭，如图所示。研究综述•最大增益的输出匹配•同样使用DA_SmithChartMatch工具来做输出匹配电路，调整完成后原理图。研究综述•最大增益的输出匹配•从仿真图中可以看出，输入/输出回波损耗在2.45GHz处均小于-10dB，增益大约为13dB。这个结果可以算是比较满意的结果。研究综述•匹配网络的实现•前面用到的都是理想微带线，其参数只有特性阻抗、电长度和频率，接下来需要把它转化成实际的表明物理长宽的微带线。下表列出了四段匹配微带线的电长度和用LinCale工具计算出的物理长度。所有微带线的特征阻抗都是50Ohm。电长度（单位degrees）物理长度（单位mm）TL3（TL7）25.38344.810770TL4（TL9）44.319.671910TL890.821116.991300TL1044.1388.257580研究综述•匹配网络的实现•返回原理图，把所有的理想微带线全换成表所示的实际物理长度的微带线，并在电源处添加几个分立电容对电源进行去耦，这里加入三个电容，从电源开始分别是1uF、0.01uF、10pF。最终完成原理图。研究综述•匹配网络的实现•从仿真图中可以看出，在2.45GHz处，增益大约为13dB，NF小于0.7dB，输入/输出反射系数都在-15dB以下，VSWR大概在0.3处，且整个电路无条件稳定。低噪声放大器的设计基本达到设计要求。总结•本次设计由于现实的一些原因没有完成版图的设计且制作出实物，这实在是个遗憾，而且我认为自己在诸多方面还需要学习和钻研。不过，通过这次论文，使我的分析问题、解决问题的能力，以及理论与实际相结合的能力得到了极大的提高，尤其是从工程角度的方面对如何完成一个项目有了一个比较感性的认识，而且让我对当今低噪声放大器的最新发展技术有所了解，这些都必将是我人生道路上的宝贵财富，也对我将来的工作和学习产生积极而深远的影响。致谢•大学本科的学习生活即将结束。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够顺利完成，要特别感谢我的导师施阳老师，感谢各位系的老师的关心和帮助。•最后向所有关心和帮助过我的人表示真心的感谢。