GPS低噪声放大器的设计.docx
《GPS低噪声放大器的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS低噪声放大器的设计.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
GPS低噪声放大器的设计
低噪声放大器的设计
姓名：
####学号：
################班级：
1########
一、设计要求
1. 中心频率为 1.45GHz，带宽为 50MHz，即放大器工作在 1.40GHz-
1.50GHz 频率段；
2. 放大器的噪声系数 NF<0.8dB，S11<-10dB，S22<-15dB，增益
Gain>15dB。
二、低噪声放大器的主要技术指标
低噪声放大器的性能主要包括噪声系数、合理的增益和稳定性等。
1. 噪声系数 NF
放大器的噪声系数（用分贝表示）定义如下：
⎛ Sin Nin ⎫
⎝ Sout Nout ⎭
式中 NF 为射频/微波器件的噪声系数； Sin ， Nin 分别为输入端的信号功率和噪
声功率； Sout ， N out 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，信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使得
信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。
2. 放大器的增益 Gain
在微波设计中，增益通常被定义为传输给负载的平均功率与信号源的最大
资用功率之比：
Gain =
PL
PS
增益的值通常是在固定的频率点上测到的，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 Gain 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.
3.稳定性
22
只有当 3 个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。
三、低噪声放大器的设计步骤
1. 下载并安装晶体管的库文件
（1）由于 ADS2008 自带的元器件库里并没有 ATF54143 的元器件模型，所以
需要从 Avago 公司的网站上下载 ATF54143.zap,并进入 ADS 主界面,点击
【File】——【Unarchive Project】进行安装。
（2）新建工程 ATF54143_LNA_1_prj,执行菜单命令【File】——
【Include/Remove Projects】将 ATF54143_prj 添加到新建工程中，这样新
建工程就能使用器件 ATF54143 了。
2. 确定直流工作点
低噪声放大器的设计的第一步是设置晶体管的直流工作点。
（1）在 ADS 中执行菜单【File】——【NewDesign】，在弹出的对话框中的
SchematicDesignTemplates 下拉列表中选择“DC_FET_T”模板，在
Name 文本框中输入 DC_FET_T，单击【OK】，这样 DC_FET 控件就被
放置在原理图中了。
（2）在原理图中放置器件 ATF54143,设置 DC_FET 控件的参数并连接原理图
如图 1 所示。
图 1完整 DC_FET_T 原理图
（3）仿真得到 ATF54143 的直流特性图如图 2 所示。
（4）根据 ATF54143 的数据手册，如图 3 所示，在 900MHz 时，当
Vds=3V,Ids=30mA 时 Fmin 接近最小值，此时增益约为 23dB，能满足设
计要求，故设置晶体管的直流工作点为 Vds=3V,Ids=30mA.
图 2 ATF54143 的直流特性图
图 3 ATF54143 直流偏置曲线
3. 偏置电路的设计
（1）创建一个新的原理图 biascircuit,并在原理图中放入 ATF54143 的模型和
DA_FETBias 控件，放入直流源，连接各部件，如图 4 所示。
图 4 完成后的偏置电路原理图
（2）执行菜单命令【DesignGuide】——【Amplifier】，在弹出的对话框中选择
TransistorBiasUtility,单击【OK】，在弹出的对话框中设置相关参数
（Vdd=5V,Vds=3V,Ids=30mA）,单击【Design】将会弹出 Bias Network selection
对话框，单击【OK】，ADS 将自动生成一个偏置电路，如图 5 所示。
图 5 偏置子电路
（3）取 R1=33Ohm,R2=224Ohm,R4=26Ohm,新建原理图 biascircuit1,画出最终的偏
置电路原理图如图 6 所示。
图 6 偏置电路原理图
4. 放大器的稳定性分析
使用稳定系数也就是 K 的“StabFact”控件来判断电路的稳定性。
只有绝
对稳定系数 K>1,放大器电路才稳定。
（1）新建原理图 LNA_schematic_1,在该原理图中添加各种元器件并设置相应参数。
注意在放大器的直流和交流通路之间要添加射频扼流电路（直流通路实质上是
一个无源低通电路，使直流偏置信号能传输到晶体管引脚，而要抑制射频信号，
实际中一般是一个电感加一个旁路电容接地，在此先用扼流电感【DC_Feed】
代替。
同时直流偏置信号也不能传到两端的 Term，需加隔直电容，在此先用隔
直电容【DC_Block】代替。
）。
仿真结果如图 7 所示。
20
15
10
5
0
-5
-10
m2
m2
freq=1.450GHz
MaxGain1=18.891
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
m1
freq=1.450GHz
StabFact1=1.145
m1
-15
0
0.62.0
freq, GHz
0.6 2.0
freq, GHz
图 7 最大增益和稳定系数 K 的曲线
从图 7 中可看出，在 1.45GHz 时，最大增益为 18.89dB,稳定系数为
K=1.145，小于 1，可见该放大器稳定。
（2）使系统稳定的常用方法是添加负反馈，本次设计中将在 ATF54143 的两个源
极加小电感作为负反馈。
一般情况下要反复调节反馈电感，使其在整个工作频
率范围内稳定。
本次设计中 Ls 最终选为 1.28nH。
电路图如图 8 所示。
图 8 晶体管加负反馈后的电路图
（3）将理想的 DC_Feed、DC_Block 元器件改成实际器件，在本设计中选用
MuRata（日本村田公司）的电容和电感。
（4）将源极的两个电感换成微带线的形式（这两个电感值太小，实际很难做到，
而且只要这两个电感有稍微改变会对整个电路的稳定性产生很大的影响。
）。
利
用公式 l =
11.81L
Z 0ε r
计算得微带线的实际长度为 1.09mm。
（5）全部换成实际器件后的原理图如图 9 所示。
图 9
5. 噪声系数圆和输入匹配
（1） 利用 ADS 进行仿真得到噪声系数圆和增益圆如图 10 所示。
匹配网络把 Γopt （ Γopt 为 m5 处阻抗的共轭，即 4.05-j*13.05 Ohm）变换到输入阻抗
图 10 噪声系数圆和增益圆
其中，m4 是 LNA 有最大增益时的输入端阻抗，m5 是 LNA 有最小噪声系
数时的输入端阻抗，但是这两点并不重合，在设计时必须在增益和噪声系数间
做一个权衡。
对于低噪声放大器首先要考虑的是最小噪声,那么这里最优的输入
端阻抗为 m5 点的阻抗 Z 0 *（0.081+j*0.261）,其中 Z 0 定为 50Ohm，则输入端的阻
抗为 4.05+j*13.05Ohm。
为了达到最小噪声系数，在晶体管输入端要满足最佳
源反射系数 Γopt 的要求，而整个电路的输入阻抗为 Z 0 =50Ohm，所以需要输入
**
50 Ohm，输入匹配框图如图 11 所示。
图 11 输入匹配框图
（2） 利用 ADS 进行仿真，采用微带线匹配，得到输入匹配电路。
（3） 将输入匹配子电路复制到原理图中，并将隔直电容移到源端，此时噪声最优
化点已经偏离 50 Ohm，现在需要调节输入匹配电路微带线的长度来补偿。
（4） 用 Tuning 工具来调节两段传输线的长度，在 Tuning 时观察数据窗口的相关
曲线的变化以达到理想效果。
最后，把 TL3 和 TL4 的电长度分别调到
194.894deg 和 129.368deg 时可以得到一个好的噪声系数和输入反射系数，
结果如图 12 所示。
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
m14
freq=1.450GHz
dB（S（1,1））=-11.255
m14
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-5
-10
-15
-20
-25
-30
0.6 2.0-90
20
m8 10
freq=1.450GHz
0
m8
-10
-20
-30
-40
0.6 2.0
freq, GHz
0.6 2.0
freq, GHz
m11
freq=1.450GHz
dB（S（2,1））=17.947
0.6 2.0
freq, GHz
图 12 Tuning 后的 S 参数曲线
6. 最大增益的输出匹配
（1） 在 ADS 中利用 Zin 控件得到电路的输出阻抗为 150.998-j*16.276 Ohm，为了
达到最大增益，需要利用输出匹配电路将 50Ohm 匹配到 150.998+j*16.276
Ohm。
其中输出匹配框图如图 13 所示。
图 13 输出匹配框图
（2）利用 ADS 进行仿真，采用微带线匹配，得到输出匹配电路。
（3） 将输出匹配子电路复制到原理图中，并将输出端的耦合电容放到输出端，利
用 Tuning 工具进一步调节，仿真结果如图 14 所示，此时
TL6=0.151572deg，TL5=9.59764deg。
0
-2
-4
-6
-8
m14
freq=1.500GHz
dB（S（1,1））=-11.506
-20
-30
-40
-50
-10
-12
m7
freq=1.400GHz
dB（S（1,1））=-10.075
m7
m14
-60
-70
-14
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22
-24
-26
0.6 2.0-80
20
m8
10
dB（S（2,2））=-16.096
m8m16 0
-10
m16
freq=1.500GHz
-20
-30
0.6 2.0
freq, GHz
0.6 2.0
freq, GHz
m11
freq=1.400GHz
dB（S（2,1））=17.917
m13
freq=1.500GHz
dB（S（2,1））=17.656
0.6 2.0
freq, GHz
图 14 输出匹配后的仿真结果
7. 匹配网络的实现
（1）利用 LinCale 工具计算出四段匹配微带线的物理长度如下表所示：
其中实际微带线的宽度为 1.846290mm。
（2）将所有的理想微带线全部换为实际物理长度的微带线。
微带线换成实际物理尺寸后仍然可以通过 Tuning 来进行微调。
（4） 在电源处加 3 个电容，分别为 1uF，0.01uF，10pF。
原理图如图 15 所示，
仿真结果如图 16 和图 17 所示。
0
-2
图 15 完整的 LNA 电路原理图
-20
-30
-4
-6
m14
freq=1.500GHz
dB（S（1,1））=-10.347
-40
-50
-8
-10
m7
freq=1.400GHz
dB（S（1,1））=-10.013
m7m14
-60
-70
-12
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-80
0.6 2.0-90
20
m8 10
freq=1.400GHz
0
m8m16
-10
-20
freq=1.500GHz
dB（S（2,2））=-17.397 -30
-40
0.6 2.0
freq, GHz
0.6 2.0
freq, GHz
m11
freq=1.400GHz
dB（S（2,1））=18.106
m13
freq=1.500GHz
dB（S（2,1））=17.745
0.6 2.0
freq, GHz
图 16 最终 S 参数曲线
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
m1
freq=1.400GHz
StabFact1=1.166
m3
freq=1.500GHz
StabFact1=1.128
m1m3
0.81.01.21.41.61.8
0.6 2.0
freq, GHz
60
50
40
30
20
10
0
m12
freq=1.400GHz m15
nf
（2）=0.415 freq=1.500GHz
nf
（2）=0.389
m12 15
0.81.01.21.41.61.8
0.6 2.0
freq, GHz
图 17 最终稳定系数和噪声参数曲线
8. 版图的设计
对于分立的电容、电感、电阻等器件，可以采用 ADS 软件自带的分立器件
的封装。
ADS 软件没有 ATF54143 晶体管的 layout 封装，可在 ADS 的 layout
界面里绘制 ATF54143 的版图。
板子尺寸：
5.41cm*5.12cm。
最终生成的版图如
图 18 和图 19 所示。
图 18 生成的版图
图 19 局部版图
四、设计总结
低噪声放大器的原理图设计是一个反复调谐优化的过程。
本设计采用噪声
系数较低的 ATF54143，介绍了偏置电路、电路稳定性及输入输出匹配电路的
设计方法。
仿真结果表明，设计的低噪声放大器具有低噪声、高增益的性能。
通过本次设计，我了解了 ADS 仿真软件的工作环境，能够熟练地应用
ADS 来设计电路,懂得了在设计过程中一定要耐心，细心，不断地对电路进行
微调，对放大器的各项指标加以权衡，只有这样才能最终得到最优的符合要求
的电路。
升级会员 