低噪声放大器的设计方法.ppt
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1、设计实验3 低噪声放大器的设计 第一页,编辑于星期五:二点 九分。1.实验目的n熟练掌握低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)的工作原理,基本指标;n熟练掌握低噪声放大器的设计方法;n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。第二页,编辑于星期五:二点 九分。2.LNA设计的依据与步骤n依据:1.满足规定的技术指标n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50n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、仿真模拟第
2、三页,编辑于星期五:二点 九分。3.LNA基本电路模块和设计原则n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;n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;n满足稳定性条件,且结构工艺上易实现。第四页,编辑于星期五:二点 九分。4.用ADS进行LNA的设计n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A
3、DS进行LNA电路整体性能的仿真。n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)12dB;第五页,编辑于星期五:二点 九分。4.1 晶体管的选择n打开ADS软件,点击Create A New Project创建新的工程,名为MW_LNA,长度单位为mm第六页,编辑于星期五:二点 九分。4.1 晶体管的选择(续)n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_sp第七页,编辑于星期五:二点 九分。4.1 晶体管的选择(续)n点击 进
4、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。n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,因此精度最好第八页,编辑于星期五:二点 九分。4.1 晶体管的选择(续)n这里先选择s参数模型的场效应晶体管s
5、p_hp_ATF-36077_19940627进行初始设计;n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0.518.0GHz,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。第九页,编辑于星期五:二点 九分。4.2 晶体管稳定性设计n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。第十页,编辑于星期五:二点 九分。4.2 晶体管稳定性设计(续)n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
6、度Temp改为IEEE标准温度16.850C 第十一页,编辑于星期五:二点 九分。4.2 晶体管稳定性设计(续)n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single point,Frequency为12GHz(下页左图);n选择Noise标签,勾上Calculate Noise选项,在s参数仿真中包括噪声参数(下页中图);n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)第十二页,编辑于星期五:二点 九分。4.2 晶体管稳定性设计(续)第十三页,编辑于星期五:二点 九
7、分。4.2 晶体管稳定性设计(续)n修改好后的电路图如下图所示第十四页,编辑于星期五:二点 九分。4.2 晶体管稳定性设计(续)n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;n选择 在原理图中插入公式:Mag_delta=mag(S11*S22-S12*S21)第十五页,编辑于星期五:二点 九分。4.2 晶体管稳定性设计(续)n点击 或按下F7开始仿真n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,
8、KNew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第十八页,编辑于星期五:二点 九分。4.2 晶体管稳定性设计(续)n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11.512.5GHz,步距0.01GHz。第十九页,编辑于星期五:二点 九分。4.2 晶体管稳定性设计(续)n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
9、。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。第二十页,编辑于星期五:二点 九分。4.3 等噪声系数圆和等增益圆ns=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n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第二十一页,编辑于星期五:二点 九分。4.3 等噪声系数圆和等增益圆(续)n将s
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- 低噪声放大器 设计 方法
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