低噪聲放大器的設(shè)計(jì)-射頻課程設(shè)計(jì)

1、 射頻設(shè)計(jì)報(bào)告低噪聲放大器的設(shè)計(jì) 目 錄1 前言12 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)22.1 工作頻率與帶寬22.2 噪聲系數(shù)22.3 增益22.4 放大器的穩(wěn)定性32.5 輸入阻抗匹配32.6 端口駐波比和反射損耗43 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)54 設(shè)計(jì)方案64.1 直流分析及偏置電路的設(shè)計(jì)64.2 穩(wěn)定性分析94.3 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)104.4 最大增益的輸出匹配134.5 匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)174.6 版圖的設(shè)計(jì)185. 學(xué)習(xí)心得25參考文獻(xiàn)261 前言低噪聲放大器(low noise amplifier，LNA)是射頻接收機(jī)前端的重要組成部分。它的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，足夠高的增

2、益克服后續(xù)各級(jí)(如混頻器)的噪聲，并盡可能少地降低附加噪聲的干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)處所需要的信息。LNA一般通過(guò)傳輸線直接和天線或天線濾波器相連，由于處于接收機(jī)的最前端，其抑制噪聲的能力直接關(guān)系到整個(gè)接收系統(tǒng)的性能。因此LNA的指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格，不僅要求有足夠小的低噪聲系數(shù)，還要求足夠高的功率增益，較寬的帶寬，在接收帶寬內(nèi)功率增益平坦度好。該設(shè)計(jì)利用微波設(shè)計(jì)領(lǐng)域的ADS軟件，結(jié)合低噪聲放大器設(shè)計(jì)理論，利用S參數(shù)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，性能指標(biāo)好的低噪聲放大器。低噪聲放大器， 它的噪聲系數(shù)很低。一般用作各類無(wú)線電接收機(jī)的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測(cè)設(shè)備的放大電路。在放大微弱信號(hào)的場(chǎng)合，放大器

3、自身的噪聲對(duì)信號(hào)的干擾可能很嚴(yán)重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。安捷倫公司的ATF54143是一種增強(qiáng)型偽高電子遷移率晶體管( E-pHEMT) , 不需要負(fù)柵極電壓, 與耗盡型管相比較, 可以簡(jiǎn)化排版而且減少零件數(shù), 該晶體管最顯著的特點(diǎn)是低噪聲, 并具有高增益、高線性度等特性, 他特別適用于工作頻率范圍在450MHz6GHz 之間的蜂窩/ PCS/ WCDMA基站、無(wú)線本地環(huán)路、固定無(wú)線接入和其他高性能應(yīng)用中的第一階和第二階前端低噪聲放大器電路中。2 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 2.1 工作頻率與帶寬 放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率Ft有關(guān)，由晶體管小信號(hào)模型可知，

4、減小偏置電流的結(jié)果是晶體管的特征頻率降低。在集成電路中，增大晶體管的面積使極間電容增加也降低了特性頻率。LNA 的帶寬不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪聲要滿足要求，并給出各頻點(diǎn)的噪聲系數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍的上限是受非線性指標(biāo)限制，有時(shí)候要求更加嚴(yán)格些，則定義為放大器非線性特性達(dá)到指定三階交調(diào)系數(shù)時(shí)的輸入功率值。2.2 噪聲系數(shù)在電路某一特定點(diǎn)上的信號(hào)功率與噪聲功率之比，稱為信號(hào)噪聲比，簡(jiǎn)稱信噪比，用符號(hào)Ps/Pn(或S/N)表示。放大器噪聲系數(shù)是指放大器輸入端信號(hào)噪聲功率比Psi/Pni 與輸出端信號(hào)噪聲功率比Pso/Pno 得比值。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過(guò)放大器之

5、后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。影響放大器噪聲系數(shù)的因素有很多，除了選用性能優(yōu)良的元器件外，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數(shù)和信號(hào)源的阻抗有關(guān)，而與負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。當(dāng)一個(gè)晶體管的源端所接的信號(hào)源的阻抗等于它所要求的最佳信號(hào)源阻抗時(shí)，由該晶體管構(gòu)成的放大器的噪聲系數(shù)最小。實(shí)際應(yīng)用中放大器的噪聲系數(shù)可以表示為2.3 增益根據(jù)線型網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益： 工作功率增益GP(operating power gain) 、轉(zhuǎn)換功率增益GT(transducer power gain)、資用功率增益GA（available

6、power gain）。低噪聲放大器的增益要適中，太大會(huì)使下級(jí)混頻器輸入太大，產(chǎn)生失真。但為了抑制后面各級(jí)的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。放大器的增益首先與管子跨導(dǎo)有關(guān)，跨導(dǎo)直接由工作點(diǎn)的電流決定。其次放大器的增益還與負(fù)載有關(guān)。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)的。噪聲最佳匹配點(diǎn)并非最大增益點(diǎn)，以此增益G 要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大增益大約低2-4dB。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來(lái)描述工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏, 常用最高增益與最小增益之差，即G(dB)表示。2.4 放大器的穩(wěn)定性放大器必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段

7、內(nèi)的穩(wěn)定性。這一點(diǎn)對(duì)于射頻電路是非常重要的，因?yàn)樯漕l電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的趨勢(shì)?？疾祀妷翰ㄑ貍鬏斁€的傳輸，可以理解這種振蕩現(xiàn)象。若傳輸線終端反射系數(shù)0>1，則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導(dǎo)致不穩(wěn)定的現(xiàn)象。反之，若0>1，將導(dǎo)致反射電壓波的幅度變?。ㄘ?fù)反饋）。當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1,即in<1, out<1 時(shí)，不管源阻抗和負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱為絕對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對(duì)條件穩(wěn)定的放大器，其負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作。

8、2.5 輸入阻抗匹配低噪聲放大器與其信號(hào)源的匹配是很重要的。放大器與源的匹配有兩種方式：一是以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配，二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配。2.6 端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來(lái)設(shè)計(jì)的，其結(jié)果會(huì)偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會(huì)很好。此外，由于微波場(chǎng)效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB 規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無(wú)耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來(lái)壓低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必

9、然是隨著頻率降低而升高。 3 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)下面提出所設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器需要考慮的指標(biāo)： (1)工作頻帶：2.42.5 GHz。工作頻帶僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要在全頻帶內(nèi)使噪聲系數(shù)滿足要求。(2)噪聲系數(shù)：FN< 0.7 dB。FN表示輸入信噪比與輸出信噪比的比值，在理想情況下放大器不引入噪聲，輸入/輸出信噪比相等，F(xiàn)N=O dB。較低的FN可以通過(guò)輸入匹配到最佳噪聲匹配點(diǎn)和調(diào)整晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)獲得。由于是寬帶放大器，難以獲得較低的噪聲系數(shù)，這就決定了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)會(huì)比較高。(3)增益:13dB。LNA應(yīng)該有足夠高的增益，這樣可以抑制后面各級(jí)對(duì)系統(tǒng)噪

10、聲系數(shù)的影響，但其增益不宜太大;避免后面的混頻器產(chǎn)生非線性失真。(4)增益平坦度為O.2 dB。指工作頻帶內(nèi)增益的起伏，低噪放大器應(yīng)該保持一個(gè)較為平坦的增益水平。由于是寬帶放大器，使得增益平坦度比較小，應(yīng)該在高頻段匹配電路，使頻帶低端失配，從而改善放大器的增益平坦度。(5) 駐波比：輸入駐波比和輸出駐波比不超過(guò)1.5。4 設(shè)計(jì)方案4.1 直流分析及偏置電路的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)LAN的第一部是確定晶體管的直流工作點(diǎn)。在ADS中設(shè)計(jì)直流偏置電路，執(zhí)行菜單命令File-New Design，在打開(kāi)的對(duì)話框中的Schematic Dsign Temple中選擇DC_FET_T。再在原理圖中放置元件ATF541

11、43，并將兩者用導(dǎo)線連接。ATF54143直流偏置如圖4-1所示圖4-1 ATF54143直流偏置電路再設(shè)置直流偏置電路的空間參數(shù)。在ATF54143的datasheet中，如圖4-2所可以看到ATF541423的為0.4-0.7V。圖4-2 ATF54143電氣性能最大限值A(chǔ)TF54143直流偏置的仿真結(jié)果如圖4-3所示。圖4-3 ATF54143支流特性圖從ATF54143的數(shù)據(jù)手冊(cè)上可以看出噪聲和Vgs和Igs的關(guān)系如圖4-4所示，從而確定晶體管工作點(diǎn)。圖 4-4 ATF54143 直流偏置曲線 然后新建一個(gè)原理圖，在該原理圖中放置ATF54143和偏執(zhí)晶體管控件，如圖4-5所示。圖4-

12、5 偏置電路原理圖4.2 穩(wěn)定性分析放大器穩(wěn)定性的判定條件如下： (1) (2) (3)其中 。K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K>1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng)3個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是覺(jué)得穩(wěn)定的。新建原理圖，添加各種元器件并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后，原理圖如圖4-6所示圖4-6 加入直流扼流和射頻扼流的原理圖另外，放大器的直流和交流通路之間要添加射頻扼流電路，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)無(wú)源低通電路，式直流偏執(zhí)信號(hào)（低頻信號(hào)）能傳輸?shù)骄w管引腳，而晶體管的射頻信號(hào)（頻率很高，在本設(shè)計(jì)中是2,4GHz的傳輸信號(hào)不要進(jìn)入直流通路），實(shí)際上一般是一個(gè)電感，有時(shí)也會(huì)加一個(gè)旁路電容接地，在這里用扼流電感代替。同時(shí)，直流偏置信號(hào)不

13、能傳到兩端端口，需要加隔直電容。通過(guò)仿真，我們可以得到最大增益和穩(wěn)定系數(shù)K與頻率的關(guān)系，如圖4-7所示。圖4-7 最大增益和穩(wěn)定系數(shù)K與頻率的曲線4.3 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。在增益15dB 的圓上選取盡量靠近最小噪聲點(diǎn)的源反射系數(shù)作為輸入匹配點(diǎn)，這樣就獲得了最佳噪聲系數(shù)匹配條件，使放大器滿足低噪聲的要求的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)足夠的增益。圖4-8 Smith圓圖圖4-8顯示出m4是LAN有最大增益時(shí)的輸入端阻抗，此時(shí)可獲得增益約為16dB，m5是LAN有最小噪聲系數(shù)時(shí)的輸入端阻抗，此時(shí)可獲得最小噪聲指數(shù)為0.428dB。但是這兩點(diǎn)并不重合，設(shè)計(jì)師必須在增益和噪聲指數(shù)之間做一個(gè)權(quán)衡和綜合考慮。經(jīng)過(guò)

14、簡(jiǎn)單計(jì)算得到out=0.4973-20.2254 ， 輸出端取共軛匹配， 即L=out*=0.497320.2254，接下來(lái)開(kāi)始進(jìn)行輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)的方法很多，有圖解法，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法等。ADS 提供了多種方便快捷的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工具，如無(wú)源電路的集總參數(shù)元件、微帶單枝節(jié)、微帶雙枝節(jié)等多種智能元件，本文利用ADS 的smith 圓圖綜合工具很清晰方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。其方法是在元件面板列表選擇實(shí)用Simth 圓圖工具Smith Chart Matching，然后在工具菜單欄中選擇Smith Chart Utility 工具，輸入負(fù)載反射系數(shù)后，就可以利用ADS 所提供

15、的這種智能元件進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，最后自動(dòng)生成子網(wǎng)絡(luò)。圖4-9 輸入輸出匹配框圖 添加Smith圓圖匹配工具DA_SmithCHartMatch，最終原理圖如圖4-10所示。 圖4-10 加入Smith圓圖匹配工具的原理圖圖4-11 Smith CHart Utility中微帶線匹配圖4-12 匹配子電路輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)采用S 參數(shù)優(yōu)化方法，S 參數(shù)設(shè)計(jì)法是將晶體管看做是一個(gè)黑盒子，只知道它的端口參數(shù)，是從系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)放大器。首先設(shè)定匹配網(wǎng)絡(luò)的集總器件為優(yōu)化變量，優(yōu)化的目標(biāo)為噪聲系數(shù)、增益、輸入駐波比、輸出駐波比等，給上述原理圖增加優(yōu)化仿真器OPTIM 和優(yōu)化目標(biāo)控件GOAL。

16、注意在OPTIM 中設(shè)定仿真變量，并將設(shè)計(jì)目標(biāo)值作為仿真目標(biāo)，優(yōu)化仿真變量設(shè)計(jì)參數(shù)，然后選擇適合的優(yōu)化方式，常用的主要是Random（隨機(jī)法）和Gradient（梯度法），隨機(jī)法通常用于大范圍搜索時(shí)使用，梯度法則用于局域收斂，不同方法有不同的元件變量漸進(jìn)方式，應(yīng)根據(jù)收斂速度和誤差函數(shù)公式進(jìn)行選擇。最后選擇迭代次數(shù)后進(jìn)行優(yōu)化仿真，通過(guò)不斷對(duì)優(yōu)化變量的調(diào)整，得到滿足穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)和增益等目標(biāo)的電路，實(shí)際在進(jìn)行分析的時(shí)候，還需要根據(jù)具體情況及有關(guān)理論加入一些有助于提高電路性能的細(xì)節(jié)。4.4 最大增益的輸出匹配在原理圖中添加Zin控件，并改為輸出阻抗，如圖4-13所示圖4-13 加入Zin控件并改為

17、輸出阻抗在數(shù)據(jù)顯示窗口中單擊圖標(biāo)，選擇Zin2的實(shí)部和虛部，如圖4-14所示。圖4-15所示為顯示的曲線。圖4-14 在數(shù)據(jù)窗口中打開(kāi)Zin控件圖4-15 輸出阻抗的曲線從圖中可以看出，輸出阻抗為57.134-j37.291Ohm（即S22）。為了達(dá)到最大增益，輸出匹配電路需要把50Ohm匹配到Zin2的共軛，如圖4-16所示。圖4-16 輸出輸出匹配框圖使用DA_SmithCHartMatch工具來(lái)做輸出端匹配電路，如圖4-17所示。圖4-17 用DA_SmithCHartMatch工具來(lái)做輸出匹配 雙擊DA_SmithCHartMatch控件，在彈出的Smith Char Marching

18、 Network對(duì)話框中設(shè)置相關(guān)參數(shù)如圖4-18所示。圖4-18 設(shè)置Smith Char Marching參數(shù)在執(zhí)行菜單命令Designguideamplifjier，在彈出的對(duì)話框中選擇Smith chart ulility。在Smith chart ulility窗口中單擊。如圖4-19所示。圖4-19 加了輸出阻抗的smith chart ulility然后單擊按鈕，生成電路。在原理圖中開(kāi)始仿真，其結(jié)果如圖4-20所示。圖4-20 輸入輸出電路完成后的仿真結(jié)果4.5 匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)前面用到的都是理想微帶線，器參數(shù)只有特性阻抗、電長(zhǎng)度和頻率，接下來(lái)需要把它轉(zhuǎn)換成實(shí)際的表明物理長(zhǎng)寬的微帶線

19、。表4-1列出了四段匹配微帶線的電長(zhǎng)度和用LinCale工具計(jì)算出的物理長(zhǎng)度。所有微帶線的特征阻抗都是50Ohm。表4-1 微帶線的電長(zhǎng)度和物理長(zhǎng)度返回原理圖，把所有的理想微帶線全換成表4-1中的實(shí)際物理長(zhǎng)度，原理圖如圖4-21所示。圖4-21 把所有的理想微帶線換成實(shí)際物理長(zhǎng)度的原理圖運(yùn)行仿真，結(jié)果如圖4-22所示。圖4-22 S參數(shù)仿真結(jié)果4.6 版圖的設(shè)計(jì)在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，低噪聲放大器電路的分離電容和分離電感采用的是Murata公司提供的庫(kù)，在layout界面里同樣可以看到這個(gè)Murata庫(kù)，這里面就不再是電容電感的電路符號(hào)，而是封裝圖，如圖4-23所示。圖4-23 Murata自帶封裝對(duì)

20、于電阻，可以使用ADS庫(kù)里自帶的分立器件的封裝，也可以自己繪制，Avago公司提供的ATF54143晶體管也沒(méi)有提供ADS軟件使用的layout封裝，接下來(lái)將介紹如何繪制ATF54143版圖。查詢ATF54143的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，ATF54143為表面安裝器件，具體形狀如圖4-24所示。圖4-24 ATF54143表面安裝器件外形圖ATF54143封裝的外形尺寸如圖4-25所示。圖4-25 ATF54143封裝的外形尺寸接下來(lái)介紹版圖的繪制過(guò)程。（1）在ADS里新建layout，命名為ATF54143_Pad_layout。（2）在layout的cond層中繪制如圖4-24所示的焊盤，其結(jié)果如圖

21、2-26所示。圖4-26 ATF54143 cond層的焊盤（3）在lead層中繪制和如圖4-26一樣的矩形，如圖4-27所示。圖4-27 ATF54143 lead層（4）在package層中繪制ATF54143的表面裝配的封裝，如圖4-28所示。圖4-28 ATF54143版圖 （5）設(shè)置ATF54143的柵極，源極和漏極，最終晶體管版圖如圖4-29所示。圖4-29 ATF54143版圖（6）執(zhí)行菜單命令schematicgenerate/upgrade，生成原理圖并將整個(gè)文件保存。（7）打開(kāi)低噪聲放大電路的原理圖，在原理圖窗口單擊鼠標(biāo)右鍵，從彈出的菜單中選擇componentedit component artwork命令，彈出component artwork對(duì)話框，在artwork