ADS设计低噪声放大器LNA

利用ADS设计LNA低噪声放大器设计的依据和步骤：•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；动态范围输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50步骤：•放大器级数（对于我们，为了便于设计和学习，通常选择一级）•晶体管选择•电路拓朴结构•电路初步设计•用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟一、低噪声放大器的主要技术指标1．LNA的噪声系数和噪声温度放大器的噪声系数NF可定义如下outoutininNSNSNF//式中，NF为微波部件的噪声系数；Sin，Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率；Sout，Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。通常，噪声系数用分贝数表示，此时)lg(10)(NFdBNF放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度Te来表达。噪声温度Te与噪声系数NF的关系是)1(0NFTTe式中，T0为环境温度，通常取为293K。2．LNA的功率增益、相关增益与增益平坦度微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共扼增益、单向化增益等。对于实际的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50Ω标准阻抗情况下实测的增益。实际测量时，常用插入法，即用功率计先测信号源能给出的功率P1；再把放大器接到信源上，用同一功率计测放大器输出功率P2，功率增益就是12PPG低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益G要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低2－4dB。功率增益的大小还会影响整机噪声系数，下面给出简化的多级放大器噪声系数表达式：...11213121GGNGNNNffff其中：fN－放大器整机噪声系数；321fffNNN，，－分别为第1，2，3级的噪声系数；21GG，－分别为第1，2级功率增益。从上面的讨论可以知道，当前级增益G1和G2足够大的时候，整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。因此多级放大器第一级噪音系数大小起决定作用。作为成品微波低噪音放大器的功率增益，一般是20－50dB范围。增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，常用最高增益与最小增益之差，即△G(dB)表示。3．工作频带不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪音要满足要求，并给出各频点的噪音系数。动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。4．动态范围是指低噪音放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数Nf给定时，输入信号功率允许最小值是：MfkTNPmf)(0min其中：mf－微波系统的通频带(例如中频放大器通频带)；M－微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数；T0－环境温度，293K。55．．端端口口驻驻波波比比和和反反射射损损耗耗低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。此外，由于微波场效应晶体或双极性晶体管，其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB规律随频率升高而下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压低增益，以保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。6．稳定性当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1（即12,11）时，不管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定；当输入端或输出端的反射系数的模大于1时，网络是不稳定的，称为条件稳定。对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围，否则放大器不能稳定工作。定义：211211112SSSsuficient211222122SSSsuficient211222112221122111222SSSSSSSSnecessary放大器在гS输入平面上绝对稳定的充分必要条件为101necessarysuficient放大器在гL输入平面上绝对稳定的充分必要条件为102necessarysuficient二二、、性性能能指指标标Frequency2.0GHzSourceImpedance50OhmGain10dNoisefactor2dBStablityUnconditonal三、晶体管选择在进行设计之前，我从网上搜索和下载了很多device的s2p文件和datasheet，在众多的器件中选择一个合适的晶体管对后面的设计很重要，因此在选择器件上我也花了很多时间，力求能选得合适。最后我采用了NEC的2SC5507(NE661M04)，它具有频率高、噪声低、低温性能好等优点。2SC5507提供的Datasheet提供了宽频段的S参数，ADS设置中也选用S参数模型，因为用S参数模型比较精确，而且各种资料也详细，比较方便。虽然在设计上我估计是能符合性能指标的，不过这里我没有考虑晶体管的价格问题，所以有可能“杀鸡用牛刀”了，没有充分发挥器件的性能，但是对于我们初学者，这个问题可以先不予考虑，主要是为了学习和掌握设计的方法。下面是2SC5507的s2p文件：/**********************************************!NECCompoundSemiconductorDevicesLtd.!20.August2002!NE661M04/2SC5507!NPNSiliconTransistor!Vce=2VIc=5mA#GHzSMAR50!fS11S21S12S22!GHzMAGANGMAGANGMAGANGMAGANG0.100.820-4.710.440173.80.00080.80.970-4.10.200.820-9.210.280168.80.01075.30.940-7.10.300.800-13.810.090164.20.01075.00.920-9.40.400.790-18.09.890159.80.01074.10.900-11.50.500.780-22.49.730155.60.02072.20.880-13.40.600.760-26.69.550151.50.02070.40.870-15.40.700.740-31.19.360147.40.02068.00.850-17.30.800.720-35.39.190143.50.03066.60.840-18.90.900.700-39.49.010139.60.03064.90.820-20.81.000.680-43.68.820135.80.03063.30.800-22.41.100.660-47.98.670132.00.03061.20.780-23.91.200.630-51.98.460128.60.04060.70.770-25.51.300.610-56.28.270124.80.04058.70.750-26.91.400.580-60.38.070121.50.04057.80.730-28.41.500.560-64.77.910117.90.04056.30.720-29.71.600.530-68.97.720114.50.04055.50.700-31.01.700.510-73.37.540111.30.05053.80.690-32.31.800.490-77.67.350108.20.05053.40.670-33.61.900.460-82.07.180105.00.05051.90.650-34.92.000.440-86.77.000102.00.05051.60.640-36.12.100.420-91.66.83098.90.05049.60.620-37.22.200.400-96.56.66095.90.05049.60.610-38.22.300.380-101.96.49092.90.05048.30.600-39.52.400.360-107.66.32090.00.05047.40.580-40.52.500.350-113.66.16087.00.06046.20.570-41.72.600.330-120.26.00084.10.06045.30.550-42.72.700.320-127.95.82080.90.06044.60.530-43.42.800.300-137.35.59077.90.06042.50.520-43.82.900.250-144.75.29076.30.06044.10.520-43.23.000.230-142.45.22076.00.06048.20.520-44.84.000.310175.34.23062.30.06046.80.440-48.35.000.420147.13.50041.80.08045.60.360-70.46.000.510130.22.94025.60.09042.70.310-89.67.000.580116.82.5209.80.10038.60.290-115.38.000.650106.92.160-5.00.12034.40.310-143.09.000.71099.01.850-19.30.13028.70.360-168.210.000.76092.81.570-32.60.14022.90.440172.111.000.78089.21.360-44.50.14017.80.530158.512.000.79084.81.160-55.10.15013.40.600149.8！噪声系数参数表!fFminGammaoptRn/50!GHzdBMAGANG-0.801.590.38010.70.430.901.600.38011.90.431.001.600.38013.20.431.501.620.36020.50.411.801.630.34025.70.381.901.630.33027.50.382.001.630.32029.40.372.501.650.26040.10.32/***************************************************************选好器件以后可以先利用S参数计算器sparam软件判断它的稳定性：将VDS=2V,ID=5mA.，f=2.0GHz时的S参数输入窗口，如下：由上可见，它不是绝对稳定的，需要进行稳定性设计。四、ADS仿真先打开ADS，新建一个项目NECLNA。确定支流偏置电路，为了使晶体管工作在放大区，需确定静态直流工作点。由2SC5507的DataSheet可以得到：VDS=2V,ID=5mA。由于K1,根据上面S参数计算器得到的结果，它不是绝对稳定的，下面进行稳定性设计。原理图的各个元件及仿真器的放置如下：K1:K=stab_fact(S),stab_fact(S)函数返回Rollett稳定因子。K1时电路绝对稳定，此时稳定量B11。M1:Mu=mu(S),mu(S)函数返回负载的几何导出因子。Mu1时电路绝对稳定。B1:B1=stab_meas(S)stab_meas(S)函数返回稳定量。具体各个函数的功能及代表的详细意义可看help文件，那里有详尽的解释。增加输出稳定性电路前的仿真结果如下：由上图也可见2.0GHz以上频率的Mu没有满足都大于1，在未增加输出稳定性电路前，晶体管输出是不稳定的，因此需要对其进行稳定性设计，增加输出稳定性电路。增加输出稳定性电路在原图的基础上并联一个RC串联电路，也可以添加LC或RL电路，具体可以和输出匹配电路同时考虑来设计。电路图如下：这里R1=5Ohm,C1=2