2021年度基于ADS的低噪声放大器设计与仿真

毕业论文

基于ADS低噪声放大器设计和仿真

一、试验背景和目标...........................................................................................4
1.1 低噪声放大器.........................................................................................4
1.1.1 概念..............................................................................................4
1.1.2 关键功效......................................................................................4
1.1.3 关键应用领域..............................................................................5
1.2 低噪声放大器研究现实状况.................................................................5
1.3 本试验汇报关键研究内容和内容安排.................................................6
二、低噪声放大器原理分析和研究..................................................................7
2.1 低噪声放大器基础结构.........................................................................7
2.2 低噪声放大器基础指标.........................................................................7
2.2.1 噪声系数......................................................................................8 2.2.2 增益..............................................................................................9
2.2.4 放大器动态范围（IIP3）.........................................................10
2.3 低噪声放大器设计设计基础标准.......................................................10
2.3.1 低噪声放大管选择标准............................................................10
2.3.2 输入输出匹配电路设计标准....................................................10
三、低噪声放大器设计.....................................................................................14
3.1 放大器设计关键步骤...........................................................................14
3.2 低噪声放大管选择...............................................................................15
3.3 稳定性计算...........................................................................................16
3.4 输入输出匹配电路电路设计...............................................................17
3.5 偏置电路...............................................................................................18
3.6电路中需要注意部分问题...................................................................18

四、设计目标.....................................................................................................20五、ADS软件仿真设计和结论.........................................................................215.1 ADS仿真设计.......................................................................................215.1.1 直流分析DCTRacing...............................................................21
5.1.2偏置电路设计.............................................................................21
5.1.3稳定性分析..................................................................................22
5.1.4噪声系数园和输入匹配..............................................................22
5.1.5最大增益输出匹配......................................................................25
5.2结论分析................................................................................................30

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一、设计背景和目标

1.1 低噪声放大器

在无线通信系统中,为了提升接收信号灵敏度,通常在接收机前端放置低噪声放大器用来提升增益并降低系统噪声系数。

1.1.1 概念

低

噪

声

放

大

器

是

噪

声

系

数

很

低

放

大

器

。

通常见作各类无线电接收机高频或中频前置放大器,和高灵敏度电子探测设备放大电路。在放大微弱信号场所,放大器本身噪声对信号干扰可能很严重,所以期望减小这种噪声,

其现代低噪声放大器大多采取晶体管、场效应晶体管;
微波低噪声放大器则采取变容二极管参量放大器, 常温参放噪声温度 Te
可低于几十度(绝对温度),致冷参量放大器可达 20K以下,
砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器应用已日益广泛,其噪声系数可低于 2
分贝。放大器噪声系数还和晶体管工作状态和信源内阻相关。
在工作频率和信源内阻均给定情况下,噪声系数也和晶体管直流工作点相关。
为了兼顾低噪声和高增益要求,常采取共发射极一共基极级联低噪声放大电路。

1.1.2 关键功效
伴随通讯工业飞速发展,大家对多种无线通讯工具要求也越来越高,

覆盖范围大已成为各运行商乃至无线通讯设备制造商普遍追求,

这就对系统接收灵敏度提出了更高要求,我们知道,

系统接收灵敏度计算公式以下:

S=-174+NF+10㏒BW+S/N

由上式可见,在多种特定（带宽、解调S/N已定）无线通讯系统中,

能有效提升灵敏度关键原因就是降低接收机噪声系数NF,

而决定接收机噪声系数关键部件就是处于接收机最前端低噪声放大器。

低噪声放大器关键作用是放大天线从空中接收到微弱信号,降低噪声干扰,

所以低噪声放大器设计对整个接收机来说是至关关键。

低噪声放大器能够使接收机接收微弱信号放大,并降低噪声干扰,
1.1.3 关键应用领域

电 子 对抗 及 多 种 高 精 度 测 量 系 统 等 领 域 中 ,

是现代IC技术发展中必不可少关键电路。

1.2 低噪声放大器研究现实状况

伴随半导体器件发展,低噪声放大器性能不停提升,采取PHEMT

场效应晶体管低噪声放大器在800MHz频段噪声系数可达成0.4dB,增益约17dB左

右,1900MHz频段噪声系数可达成0.6增益为15dB左右。

微波晶体管是较晚开发三电极半导体器件,因为其性能优越.快速取得了广泛

应用.并不停地向高频率、大功率、集成化推进.基础作用是放大器,

已基础上替换了参放.部分地替换行数.在其它电路中也可使用,如:混频器,倍频器,

振荡器,开关等.现在,广泛应用及有前景元件关键有以下五种.

◢BJT双极结晶体管是一般三极管向射频和微波频段发展。

使用最多等效电路模型是Gummel-Poon模型,以后出现了VBIC模型,

MEXTRAM模型和Philips模型。VBIC模型是Gummel-Poon模型发展伸;

MEXTRAM模型零极点少,故比Philips模型收敛快。

◢MOSFET金属氧化物场效应管在2.5GHZ以下频段应用越来越多。

双扩散金属氧化物半导体DMOS是CMOS晶体管向高频发展,侧面双扩散金属氧

化物半导体LDMOS器件是大功率微波放大器件。

CMOS模型包含了同一硅片上BJTs,N型MOSFET和P型MOSFET.模型。

◢MESFET金属半导体场效应管是在GaAs基片上上同时实现肖特基势垒结

和欧姆接触。这是一个受栅极电压控制多数载流子器件。

这种器件非线性模型MESFET/HEMT由多个著名器件和软件厂商给出,

还在不停完善。

PHEMT是点阵匹配伪HEMT器件,MHEMT是多层涂层结构变形HEMT器件,

MHEMT器件发展潜力较大。

◢HBT异质结双极结晶体管是为了提升GaAsBJT发射效率于1965年提出,

最大结温Tj,max仅为155℃展现出良好微波特征。

自1988年以来,微波半导体器件性能得到了迅猛发展,增益高,噪声低,

模型完整使得PHEMT器件成为2GHz无线电系统主力器件。

不停出现新材料带来微波器件材料日新月异发展。

SiC和GaN发 明 已 经 使 得 FET实 现 大 高功 率 器 件 ,

低噪声微波放大器（LNA）已广泛应用于微波通信、GPS接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及多种高精度微波测量系统中,是必不可少关键电路。微波晶体管放大器还在向更高工作频率、低噪声、宽频带、集成化和标准化发展。

1.3 本试验汇报关键研究内容和内容安排

本试验汇报将基于ADS仿真设计低噪声放大器,并优化电路结构,最终设计出符合各项指标基于ATF54143场效应管低噪声放大器。

本文研究关键内容安排以下:
◢分析通常低噪声放大器基础结构和各项基础指标,低噪声放大器通常设计过程。

◢选择本文设计低噪声放大器晶体管,

二、低噪声放大器原理分析和研究

2.1 低噪声放大器基础结构

低噪声放大器由输入匹配网络、微波晶体管放大器和输出匹配网络组成。低噪声放大器基础结构结构图,图2.1所表示。

图2.1 低噪声放大器基础结构

输入匹配网络和输出匹配网络作为放大器匹配电路,用于实现放大器最好源匹配和共轭匹配。通常采取电感,电容或微带线来完成匹配电路。晶体管是放大器关键器件,全部外部电路全部是为了实现晶体管愈加好发挥功效,实现放大器低噪声,适宜增益和稳定性。

2.2 低噪声放大器基础指标

低噪声放大器二端口网路基础结构图,图2.2所表示。

2.2.1 噪声系数

噪声系数定义为放大器输入信噪比和输出信噪比比值,即:

NF=	S	in	N in	（2-1）
	S out		N out

对单级放大器而言,其噪声系数计算为:

NF

min



4

R opt 2 1- s 2 1  opt 2

（2-

2）
其中Fmin为晶体管最小噪声系数,是由放大器管子本身决定, Γopt、Rn和Γs分别为取得Fmin时最好源反射系数、晶体管等效噪声电阻、和晶体管输入端源反射系数。

NF=NF1+(NF -1)/G1+(NF -1)/G1G +……（2-3）
对多级放大器而言,其噪声系数计算为:

用噪声系数表示很不方便,常常见噪声温度来表示,
噪声温度和噪声系数换算关系为:
Te = T0 ( NF – 1 ) （2-4）
其中Te为放大器噪声温度, T0 =2900K, NF为放大器噪声系数。

NF(dB)= 10LgNF （2-

5）

2.2.2 增益

从

(2-3)计

算

公

式

中

可

见

,

提升低噪声放大器增益对降低整机噪声系数很有利,

但低噪声放大器增益过高会影响整个接收机动态范围。所以,

通常来说低噪声放大器增益确定应和系统整机噪声系数、

接收机动态范围等结合起来考虑。

2.2.3 输入输出驻波比

低噪声放大器输入输出驻波比表征了其输入输出回路匹配情况,

输入匹配网络通常为取得最小噪声而设计为靠近最好噪声匹配网络而不是最好

功率匹配网络,而输出匹配网络通常是为取得最大功率和最低驻波比而设计,

2.2.3 反射系数

放射系数是端口输入电压和输出电压比值,表示公式为:

	=	u		(2-8)
		u	

当Γs = Γopt 时,放大器噪声系数最小,NF=NFmin ,

但此时从功率传输角度来看,输入端是失配,所以放大器功率增益会降低,

但 有 些 时 候 为 了 取 得 最 小 噪 声 ,

合适牺牲部分增益也低噪声放大器设计中常常采取一个措施。

2.2.4 放大器动态范围（IIP3）

在低噪声放大器设计中,应充足考虑整个接收机动态范围,

通常应选择低噪声放大器输入三阶交调点IIP3较高一点,

最少比最大输入信号高30dB,以免大信号输入时产生非线性失真。

除

以

上

各

项

外

,

低

噪

声

放

大

器

工

作

频

率

、

工作带宽及通带内增益平坦度等指标也很关键,设计时要认真考虑。

2.3 低噪声放大器设计设计基础标准

2.3.1 低噪声放大管选择标准

对微波电路中应用低噪声放大管关键要求是高增益和低噪声和足够动态范围,
1）微波低噪声管噪声系数足够小工作频段足够高,

现在PHEMT场效应管噪声系数在2GHz可在0.5dB左右,

工作频率高端可达成6GHz。

2）微波低噪声管要有足够高增益和高动态范围,通常要求放大器工作增益大于1

当输入信号达成系统最大值时由放大器非线性引发交调产物小于系统本底噪声,

对于ZXPCS大基站项目因为最大输入信号小于-44dBm, 考虑到放大器13dB左右增益,我们选择了ATF34143场效应管它增益可达15dB,

OIP3为30dBm左右。

2.3.2 输入输出匹配电路设计标准

对于单级晶体管放大器噪声系数,能够将表示式

化

成

一

个

圆

表

示

NF

min



4

R opt 2 1- s 2 1opt 2

数

(2-9)

式

,

即

等

噪

声

系

圆

。

圆上每一点代表一个能产生恒定噪声系数NF源反射系数。如要取得需要噪声系数,只要在圆图上画出对应于这个噪声系数圆,然后将源阻抗匹配到这个圆上一个点就行了。

在以上讨论中我们忽略了晶体管反向传输系数,实际中微波场效应晶体管和双极性晶体管全部存在内部反馈,微波管S12就表示内部反馈量,它是电压波反向传输系数。S12越大,内部反馈越强,反馈量达成一定强度时,将会引发放大器稳定性变坏,甚至产生自激振荡。微波管S21代表电压波正向传输系数,也就是放大倍数。S21越大,则放大以后功率越强。在一样反馈系数S12情况下,S21越大当然反馈功率也越强,所以S21也影响放大器稳定性。

一个微波管射频绝对稳定条件是:

1-	S 11	2	-	S	22		2		2	（△=|S11*S22-S12*S21| ）
		2	S S 12			21

（2-12）

为改善微波管本身稳定性,有以下多个方法:
1）串接阻抗负反馈
在MESFET源极和地之间串接一个阻抗元件,从而组成负反馈电路。对于双极晶体管则是在发射极经反馈元件接地。在实际微波放大器电路中,电路尺寸很小,外接阻抗元件难以实现,所以反馈元件常见一段微带线来替换,它相当于电感性元件负反馈。

2）用铁氧体隔离器
铁氧体隔离器应该加在天线和放大器之间,假定铁氧体隔离器正向功率衰减微为,反向功率衰减为, 且1,1。则＝

0


0为加隔离器前反射系数,为加隔离器后反射系数。

用以改善稳定性隔离器应该含有特征是:
(1) 频带必需很宽,要能够覆盖低噪声放大器不稳定频率范围;
(2) 反向隔离度并不要求太高;
(3) 正向衰减只需确保工作频带之内有较小衰减,以免影响整机噪声系数,而工作频带外,则没有要求。

(4) 隔离器本身端口驻波比要小。

3）稳定衰减器
型阻性衰减器是一个简易可行改善放大器稳定性方法,
通常接在低噪声放大器末级输出口,有时也能够加在低噪声放大器内级间,对改善稳定性相当有效。 在不少情况下,放大器输出口潜在不稳定区较大,在输出端加型阻性衰减器,因为衰减器是阻型衰减,不能加在输入口或前级级间,以免影响噪声系数。

三、低噪声放大器设计

3.1 放大器设计关键步骤

选择晶体管S参数,噪声参数,

功率输出,价格

计算K值

k>1计算增

K<1计

益Gma

算Gma

在TS和TL平面内画出

在稳定区令增益Gma,假 设 S12=0,

不稳定区

否否

检验稳定性

设计直流偏置电路,

在检验稳定性

安排整个放大器电路

否 否

核实可实现性

是

安排光刻

3.2 低噪声放大管选择

低噪声放大器(LNA)是射频微波电路接收前端关键部分,因为她在接收机最前端,要求她噪声越小越好,但又要求有一定增益,最小噪声和最大增益通常不能同时满足,获取最小噪声和最大功率是矛盾,通常电路设计总是选择折中方案来达成设计要求,以牺牲一定增益来取得最小噪声,而在射频微波通信电路中,

讨论适宜低噪声放大器电路设计含有很实际意义。

对微波电路中应用低噪声放大管关键要求是高增益和低噪声和足够动态范围,现在双极型低噪声管工作频率能够达成多个千兆噪声系数为多个分贝,而砷化镓小信号场效应管工作频率更高,噪声系数可在1分贝以下。

我们在选择低噪声放大器管通常能够从以下多个方面进行考虑:

晶工作频率高端可达成6GHz。

2）微波低噪声管要有足够高增益和高动态范围,通常要求放大器工作增益大于1

当输入信号达成系统最大值时由放大器非线性引发交调产物小于系统本底噪声,对于ZXPCS大基站项目因为最大输入信号小于-44dBm,考虑到放大器13dB左右增益,我们选择了ATF34143场效应管它增益可达15dB,OIP3为30dBm左右。

安捷伦企业ATF54143是一个增强型伪高电子迁移率晶体管(E-pHEMT), 不需要负栅极电压,和耗尽型管相比较,能够简化排版而且降低零件数,

该晶体管最显著特点是低噪声,并含有高增益、高线性度等特征,

GHz之间蜂窝／PCS／wCDMA基站、无线当地环路、固定无线接入和其它高性能应用中第一阶和第二阶前段低噪声放大器电路中。

本

设

计

采

取

安

捷

伦

企

业

ATF54143,

ATF54143是一个增强型伪高电子迁移率晶体管(E-pHEMT),含有噪声低,增益高,线性范围大等特点,是做2GHz频率低噪声放大器很好选择。查阅ATF54143datasheet文件可知它封装模型:
和经典D-pHEMT不一样,ATF45143并不需要在门级上加负电压偏置,

所以,atf54143偏置电路更像是双极型晶体管偏置电路。

不过和通常双极型晶体管不一样,它偏置电压不是0.7v,而是工作在大约0.6v。

其封装模型图3.1所表示。

图3.1 ATF54143封装模型

ATF54143特征:

1.	高线性度
2.	增强型技术
3.	低噪声系数

4. 优异稳定性

5. 800微米栅极宽度

6. 低成本表面小封装SOT_343