GPS低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

1、低噪聲放大器的設(shè)計(jì)姓名：# 學(xué)號(hào)：# 班級(jí)：1#一、 設(shè)計(jì)要求1. 中心頻率為1.45GHz，帶寬為50MHz，即放大器工作在1.40GHz-1.50GHz頻率段；2. 放大器的噪聲系數(shù)NF<0.8dB， S11<-10dB，S22<-15dB，增益Gain>15dB。二、 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)低噪聲放大器的性能主要包括噪聲系數(shù)、合理的增益和穩(wěn)定性等。1. 噪聲系數(shù)NF放大器的噪聲系數(shù)（用分貝表示）定義如下：式中NF為射頻/微波器件的噪聲系數(shù)；，分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率；，分別為輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。噪聲系數(shù)的物理含義是，信號(hào)通過放大器后，由于放大器

2、產(chǎn)生噪聲，使得信噪比變壞，信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。2. 放大器的增益Gain在微波設(shè)計(jì)中，增益通常被定義為傳輸給負(fù)載的平均功率與信號(hào)源的最大資用功率之比：增益的值通常是在固定的頻率點(diǎn)上測(cè)到的，低噪聲放大器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)，因此增益Gain要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大增益大概低24dB.3.穩(wěn)定性一個(gè)微波管的射頻絕對(duì)穩(wěn)定條件是。只有當(dāng)3個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。三、 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)步驟1. 下載并安裝晶體管的庫(kù)文件(1) 由于ADS2008自帶的元器件庫(kù)里并沒有ATF54143的元器件模

3、型，所以需要從Avago公司的網(wǎng)站上下載ATF54143.zap,并進(jìn)入ADS主界面,點(diǎn)擊【File】【Unarchive Project】進(jìn)行安裝。(2) 新建工程ATF54143_LNA_1_prj,執(zhí)行菜單命令【File】【Include/Remove Projects】將ATF54143_prj添加到新建工程中，這樣新建工程就能使用器件ATF54143了。2. 確定直流工作點(diǎn)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)的第一步是設(shè)置晶體管的直流工作點(diǎn)。(1) 在ADS中執(zhí)行菜單【File】【New Design】，在彈出的對(duì)話框中的Schematic Design Templates下拉列表中選擇“DC_FET

4、_T”模板，在Name文本框中輸入DC_FET_T，單擊【OK】，這樣DC_FET控件就被放置在原理圖中了。(2) 在原理圖中放置器件ATF54143,設(shè)置DC_FET控件的參數(shù)并連接原理圖如圖1所示。 圖1 完整DC_FET_T原理圖(3) 仿真得到ATF54143的直流特性圖如圖2所示。(4) 根據(jù)ATF54143的數(shù)據(jù)手冊(cè)，如圖3所示，在900MHz時(shí)，當(dāng)Vds=3V,Ids=30mA時(shí)Fmin接近最小值，此時(shí)增益約為23dB，能滿足設(shè)計(jì)要求，故設(shè)置晶體管的直流工作點(diǎn)為Vds=3V,Ids=30mA.圖2 ATF54143的直流特性圖圖3 ATF54143直流偏置曲線3. 偏置電路的設(shè)計(jì)

5、(1)創(chuàng)建一個(gè)新的原理圖biascircuit,并在原理圖中放入ATF54143的模型和DA_FETBias控件，放入直流源，連接各部件，如圖4所示。圖4 完成后的偏置電路原理圖(2)執(zhí)行菜單命令【Design Guide】【Amplifier】，在彈出的對(duì)話框中選擇 Transistor Bias Utility,單擊【OK】，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置相關(guān)參數(shù)（Vdd=5V,Vds=3V,Ids=30mA）,單擊【Design】將會(huì)彈出Bias Network selection對(duì)話框，單擊【OK】，ADS將自動(dòng)生成一個(gè)偏置電路，如圖5所示。 圖5 偏置子電路(3)取R1=33Ohm,R2=22

6、4Ohm,R4=26Ohm,新建原理圖biascircuit1,畫出最終的偏置電路原理圖如圖6所示。圖6 偏置電路原理圖4. 放大器的穩(wěn)定性分析使用穩(wěn)定系數(shù)也就是K的“StabFact”控件來判斷電路的穩(wěn)定性。只有絕對(duì)穩(wěn)定系數(shù)K>1,放大器電路才穩(wěn)定。(1)新建原理圖LNA_schematic_1,在該原理圖中添加各種元器件并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。注意在放大器的直流和交流通路之間要添加射頻扼流電路（直流通路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)無源低通電路，使直流偏置信號(hào)能傳輸?shù)骄w管引腳，而要抑制射頻信號(hào)，實(shí)際中一般是一個(gè)電感加一個(gè)旁路電容接地，在此先用扼流電感【DC_Feed】代替。同時(shí)直流偏置信號(hào)也不能傳到兩端的T

7、erm，需加隔直電容，在此先用隔直電容【DC_Block】代替。）。仿真結(jié)果如圖7所示。圖7 最大增益和穩(wěn)定系數(shù)K的曲線從圖7中可看出，在1.45GHz時(shí)，最大增益為18.89dB,穩(wěn)定系數(shù)為K=1.145，小于1，可見該放大器穩(wěn)定。(2)使系統(tǒng)穩(wěn)定的常用方法是添加負(fù)反饋，本次設(shè)計(jì)中將在ATF54143的兩個(gè)源極加小電感作為負(fù)反饋。一般情況下要反復(fù)調(diào)節(jié)反饋電感，使其在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定。本次設(shè)計(jì)中Ls最終選為1.28nH。電路圖如圖8所示。圖8 晶體管加負(fù)反饋后的電路圖(3)將理想的DC_Feed、DC_Block元器件改成實(shí)際器件，在本設(shè)計(jì)中選用MuRata(日本村田公司)的電容和電感。

8、(4)將源極的兩個(gè)電感換成微帶線的形式（這兩個(gè)電感值太小，實(shí)際很難做到，而且只要這兩個(gè)電感有稍微改變會(huì)對(duì)整個(gè)電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。）。利用公式計(jì)算得微帶線的實(shí)際長(zhǎng)度為1.09mm。(5)全部換成實(shí)際器件后的原理圖如圖9所示。圖95. 噪聲系數(shù)圓和輸入匹配(1) 利用ADS進(jìn)行仿真得到噪聲系數(shù)圓和增益圓如圖10所示。圖10 噪聲系數(shù)圓和增益圓其中，m4是LNA有最大增益時(shí)的輸入端阻抗，m5是LNA有最小噪聲系數(shù)時(shí)的輸入端阻抗，但是這兩點(diǎn)并不重合，在設(shè)計(jì)時(shí)必須在增益和噪聲系數(shù)間做一個(gè)權(quán)衡。對(duì)于低噪聲放大器首先要考慮的是最小噪聲,那么這里最優(yōu)的輸入端阻抗為m5點(diǎn)的阻抗*(0.081+j*0.2

9、61),其中定為50Ohm，則輸入端的阻抗為4.05+j*13.05 Ohm。為了達(dá)到最小噪聲系數(shù)，在晶體管輸入端要滿足最佳源反射系數(shù)的要求，而整個(gè)電路的輸入阻抗為=50 Ohm，所以需要輸入匹配網(wǎng)絡(luò)把(為m5處阻抗的共軛，即4.05-j*13.05 Ohm)變換到輸入阻抗50 Ohm，輸入匹配框圖如圖11所示。圖11 輸入匹配框圖(2) 利用ADS進(jìn)行仿真，采用微帶線匹配，得到輸入匹配電路。(3) 將輸入匹配子電路復(fù)制到原理圖中，并將隔直電容移到源端，此時(shí)噪聲最優(yōu)化點(diǎn)已經(jīng)偏離50 Ohm，現(xiàn)在需要調(diào)節(jié)輸入匹配電路微帶線的長(zhǎng)度來補(bǔ)償。(4) 用Tuning工具來調(diào)節(jié)兩段傳輸線的長(zhǎng)度，在Tuni

10、ng時(shí)觀察數(shù)據(jù)窗口的相關(guān)曲線的變化以達(dá)到理想效果。最后，把TL3和TL4的電長(zhǎng)度分別調(diào)到194.894deg和129.368deg時(shí)可以得到一個(gè)好的噪聲系數(shù)和輸入反射系數(shù)，結(jié)果如圖12所示。圖12 Tuning后的S參數(shù)曲線6. 最大增益的輸出匹配(1) 在ADS中利用Zin控件得到電路的輸出阻抗為150.998-j*16.276 Ohm，為了達(dá)到最大增益，需要利用輸出匹配電路將50 Ohm匹配到150.998+j*16.276 Ohm。其中輸出匹配框圖如圖13所示。圖13 輸出匹配框圖(2) 利用ADS進(jìn)行仿真，采用微帶線匹配，得到輸出匹配電路。(3) 將輸出匹配子電路復(fù)制到原理圖中，并將輸

11、出端的耦合電容放到輸出端，利用Tuning工具進(jìn)一步調(diào)節(jié)，仿真結(jié)果如圖14所示，此時(shí)TL6=0.151572deg，TL5=9.59764deg。圖14 輸出匹配后的仿真結(jié)果7. 匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)(1)利用LinCale工具計(jì)算出四段匹配微帶線的物理長(zhǎng)度如下表所示：其中實(shí)際微帶線的寬度為1.846290mm。（2）將所有的理想微帶線全部換為實(shí)際物理長(zhǎng)度的微帶線。微帶線換成實(shí)際物理尺寸后仍然可以通過Tuning來進(jìn)行微調(diào)。(4) 在電源處加3個(gè)電容，分別為1uF，0.01uF，10pF。原理圖如圖15所示，仿真結(jié)果如圖16和圖17所示。圖15 完整的LNA電路原理圖圖16 最終S參數(shù)曲線圖17 最終穩(wěn)定系數(shù)和噪聲參數(shù)曲線8. 版圖的設(shè)計(jì) 對(duì)于分立的電容、電感、電阻等器件，可以采用ADS軟件自帶的分立器件的封裝。ADS軟件沒有ATF54143晶體管的layout封裝，可在ADS的layout界面里繪制ATF54143的版圖。板子尺寸：5.41cm*5.12cm。最終生成的版圖如圖18和圖19所示。圖18 生成的版圖圖19 局部版圖四、 設(shè)計(jì)總結(jié)低噪聲放大器的原理圖設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)調(diào)諧優(yōu)化的過程。