低噪声放大器的设计与仿真

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1、低噪声放大器的设计要求2低噪声放大器的设计2一、直流分析与偏置电路设计2二、稳定性分析4三、噪声系数圆和输入匹配5四、最大增益的输出匹配7五、电路整体微调9六、版图设计12心得与体会13参考文献1313低噪声放大器的设计要求UseAvago’sATF-331M4todesignaLNA1.OperationFrequencyrang:2.4GHz~2.5GHz2.NoiseFigurebelow0.7dB;3.Gain>13dB;(Feasiblemaximumgainis16.1dBat2.5GH

2、z)（曾经为15dB，后改为13dB）4.VSWR(input)<1.5;5.VSWR(output)<1.5;Usetheschematictooltosimulateandrealizeitwiththelayouttool(Momentum)inADS.GiveboththeschematicandlayoutofthefinalLNAamplifiercircuit,detailedsimulationprocedure,andthesimulationresultsobtainedwith

3、boththeschematicandlayoutcircuit.低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计步骤1、直流分析与偏置电路设计2、稳定性分析3、噪声圆系数与输入匹配4、最大增益的输出匹配5、电路整体微调6、版图设计以下将详细叙述这些设计步骤。一、直流分析与偏置电路设计1、从ATF-331M4的说明文档如图1可以看出，2GHz下它在VDS为4V、Id为40-80mA时噪声系数在0.6左右，且增益去到15dB以上，符合设计要求。为使增益尽可能地大，故确定晶体管的偏置VDS=4V，Id=80mA；2

4、、从Avago的官网下载ATF-331M4的模型，并在ADS2015.01下如图2进行直流分析，以确定偏置VGS的电压。由于ATF-331M4有两个源端，为使每个源端电流为80mA，故应选择Id约为160mA的栅极电压。由直流仿真结果可得VGS约为-0.35V；3、确定静态工作点后则可设计偏置电路。本来ADS中有一个“DA_FETBias”的控件工具可以方便地设计偏置电路，但由于需要将晶体管的栅极电压偏置于负电压，这个工具便难以胜任，故只能手动设计偏置电路。使用+5V和-5V的双电源和标称电阻值，可

5、计算出分压器的两个电阻分别为130Ohm和150Ohm时栅极电压约为-0.35V。由于漏极电流约为160mA，要使漏极电压为4V时可计算出漏极电阻约为6.2Ohm。最后得到电路图及直流仿真结果如图3示。13图1ATF-331M4说明文档(a)电路图(b)仿真结果图2直流分析图3偏置电路及仿真结果13二、稳定性分析1、向电路图中加入3.9nH的扼流电感L1、L2，3.9pF的旁路电容C1、C2和22nH的隔直电容C3、C4后，再在输入和输出端加入50Ohm的Term控件，以及StabFact和MaxG

6、ain控件，进行S系数仿真。如图4可见此时稳定系数K在2.4GHz下为0.848，电路不稳定，同时电路在2.5GHz时MaxGain为17dB；图4稳定系数及最大增益仿真结果2、为使系统稳定，故如图5a在源端处添加微带线作电感引入负反馈。同时使用变量控件调节微带线的长度反复仿真。最后得到长度在1.2mm时稳定系数K在2.4GHz下为1.002，系统稳定，但MaxGain降低至13.8dB。(a)在源端加入微带线负反馈提高稳定系数13(b)微调后的稳定系数(c)微调后的最大增益图5提高系统稳定系数三、

7、噪声系数圆和输入匹配1、进行噪声仿真并画出NFmin参数，如图6可见在2.4GHz时NFmin为0.435dB。接下来就是要设计一个适当的输出匹配网络来实现最小噪声系数；图6最小噪声系数图7噪声圆和增益圆2、画出噪声圆和增益圆如图7所示。其中M4为增益最大的输入阻抗，增益为14.406；M5为噪声最小的输入阻抗，最小噪声系数为0.435dB。但两者并不重合，需要在这两者之间权衡考虑。对于低噪声放大器，尤其是第一级放大器，首要考虑的是最小噪声。所以选用M5点的阻抗即32.781-j9.934作为输入端

8、的阻抗进行匹配。此时增益约为13.206dB，仍然符合设计要求；3、如图8使用Smith圆匹配工具DA_SmithChartMatch进行输入阻抗匹配，生成使用微带线的匹配网络。再次进行仿真，可见此时噪声圆的M5点正好匹配至50Ohm，且噪声系数nf(2)在2.4GHz下与NFmin相等，即噪声系数已经达到最优化；4、如图9将生成的匹配网络放进电路图中并移至隔直电容后，再使用LineCalc程序将微带线转换至实际长度后进行仿真。可见此时噪声优化点已偏离50Ohm，同时