射频射频LNA设计

《射频集成电路设计》课程设计报告 LNA的设计和仿真 专 业： 集 成 电 路 班 级： 电 子 0 6 0 4 学 号： 200681131 姓 名： 高丕龙 1 LNA的设计和仿真 一．实验目的： 1.了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。 2.学习使用 ADS软件进行微波有源电路的设计，优化，仿真。 3.掌握低噪声放大器的制作及调试方法。 二．原理简介 1.低噪声放大器 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、电视及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要 电路。LNA 是射频接收机前端的主要部分，它主要有以下四个特点： 首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪 声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真， 它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。其次，它所接受的信号是很微弱 的，所以低噪声放大器必定是一个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱 又是变化的，在接受信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入，因此要求放大器有足够的 线型范围，而且增益最好是可调节的。再次，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者 天线滤波器相连，放大器的输入端必须和他们很好的匹配， 以达到功率最大传输或者最小 的噪声系数， 并保证滤波器的性能。最后，它应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频 率干扰，因此它一般是频带放大器 。 LNA低噪声放大器的主要指标如下： 1）工作频率与带宽 2）噪声系数 3）增益 4 ).放大器的稳定性 5） 输入阻抗匹配 6） 端口驻波比和反射损耗 在设计较高的频段低噪声放大器，通常选用场效应管 FET 和高电子迁移率晶体管 （HEMT） 。影响放大器噪声系数的因素除了与所选用的选用元器件有关外，电路的拓扑 结构是否合理也是非常重要的。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，放大器存在着最佳 的信号源阻抗 Zso，此时，放大器的噪声系数应该是最小的，所以放大器的输入匹配电路应 该按照噪声最佳来进行设计，也就是根据所选晶体管的 Гopt 来进行设计。为了得到较高 的功率增益和较好的输出驻波比，输出匹配电路则采用共扼匹配。输入匹配电路在达到最佳 噪声时，放大器的输入阻抗未必恰好与信号源阻抗匹配，因而功率放大倍数不是最大。设计 放大器时，首先考虑的是噪声尽可能低，其次才考虑增益的问题。因此，牺牲一点增益来换 取噪声系数的降低是必要的，两者之间应该取一个合适的折中。LNA 采用两级放大的方式 来实现，为使放大器具有更低的噪声，第一级的工作点应根据最小噪声系数来选取最佳的工 作电流。 为保证有足够的增益， 第二级应从最佳增益条件来考虑， 同时兼顾噪声。 2.仿真设计软件 ADS Advanced Design System(ADS)软件在射频电路仿真与设计方面应用广泛，可对高频电 2 路进行小信号 S参数仿真，通过优化来得到拥有较好的增益、输入输出驻波比、较小的噪 声系数和较高的稳定性的电路。在原理图参数得到优化后还可以利用Yield进行合格率分析 ， 利用 Yield Optim还可以进行电路最大合格率优化，进而得到最好的容差匹配的电路参数。 ADS软件可以帮助我们进行低噪声放大器电路的仿真与优化，使我们得到一个成品率较高 的电路设计，为最终产品的成功开发打下良好的基础。 三．低噪声放大器设计指标 频率：2.1GHz~2.4GHz 噪声系数：小于 0.5dB (纯电路噪声系数不考虑连接损耗) 增益：大于 1 5 d B 增益平坦度：每 10MHZ带内小于 0.1 dB 输入输出驻波比：小于 2 . 0 输入输出阻抗：50Ω 四．低噪声管工作点和稳定性设计 1.首先选择合适的器件 选择适用于工作频率且具有可接受的增益和噪声系数的 BJT、JEFT 和 MESFET。工 作频率在 6GHz 以下时，大多使用双极晶体管；工作频率在 6GHz 以上时，大多选用场效 应晶体管。而且，通常要求晶体管的截至频率大于或等于 2-3 倍的工作频率。低噪声放大 器则要求截至频率更高一些。 本文选取 NEC 公司低噪声产品系列的 NE3210S01 N沟道HJ－FET，其性能如图 2 所 示，它在 2－4GHz的频宽内增益在 18dB以上，噪声系数在 0.5dB以下，符合设计指标。 上网下载并安装 NEC 公司提供的 ADS Design Kit for NEC Electronics，该工具包集成了 NEC 系列低噪声放大器的 FET、JBJT、HJ-FET，安装在 ADS 中后可以从元件库面板中选 择所需的管子。 由于 Design Kit 中的元器件是已经封装好的晶体管，所以无需再在 ADS 中建立其 Spice 模型，直接从手册中查到所选取管子在特定偏置下的各个工作点的 S 参数，从中选择 恰当的工作点，使得以此为依据在电路原理图中设计偏置电路。合适且稳定的工作点决定了 管子的动态范围，是保证放大器不出现平顶失真的前提，而且直接影响放大器的高频稳定性 ， 本文选择典型的静态工作点 VDS＝2.0V，ID＝10mA。 2.晶体管 S 参数的测量并确定工作点 晶体管 S 参数的测量并确定工作点。利用 ADS 的 S 参数仿真在所需要的频带内求出 低噪管的 S 参数，并与手册所提供的 S参数对比，通过调整栅源电压 VGD 不断修正 S参 数最终得到合适的偏置电路。由于外界因素中温度对回路的 Q 值影响最大，故偏置电路在 S参数仿真时应注意按照提示窗口所给出的信息修改模型的温度， 本文管子的仿真环境温 度 16.85℃。加好偏置电路之后测试结果如图所示 VGD＝-0.522V, ID=10.01mA,VD=2.0V。 3 Fet外围偏置电路原理 设置 var中变量为 Vbias,并令 SRC1的 Vdc等于 Vbias，在 DC中设置 Vbias扫描范围是 -1到 1V，步长为 0.002V，并禁用 SPARAMETERS仿真选项。直流扫描结果如下图，当Vbias=- 0.522V时，Ids为 10mA。 低噪管的 I－V 特性 静态工作点仿真结果 4 3.低噪管稳定性的判断 稳定性的判断可以通过 K- 公式或源端和负载端稳定系数圆来判断，前者通常用来∆ 判断放大器是否处于绝对稳定的情况。对于低噪声放大器的第一级，主要性能是以降低噪声 系数为目标的，故常处于条件稳定的情形，而设计最大增益放大器时采用双端共轭匹配，这 时候射频电路必须处于绝对稳定才能保证复数共轭同时成立。 噪声系数圆、等增益圆和输入匹配点的确定 源稳定系数圆图和负载稳定系数圆图 4.匹配网络的设计 在增益 15dB 的圆上选取尽量靠近最小噪声点的源反射系数作为输入匹配点，如图 5 中 m1 所示，本文取ΓS=Γopt= 0.768∠9.872 ，这样就获得了最佳噪声系数匹配条件，使 放大器满足低噪声的要求的同时又能实现足够的增益。图 6显示出了源稳定系数圆图和负载 稳定系数圆图，从标记 m3、m4 可以看出两者均与 smith 圆图相离，又由于 S11，S22均 小于 1，故输入输出都满足绝对稳定条件。 输出匹配点 Γout按照下面公式 求出。 s s out S SS S Γ− Γ +=Γ 11 2112 22 1 设计匹配网络的方法很多，有图解法，计算机辅助设计法等。ADS 提供了多种方便快 捷的匹配网络设计工具，如无源电路的集总参数元件、微带单枝节、微带双枝节等多种智能 元件，本文利用 ADS 的 smith 圆图综合工具很清晰方便的实现自动匹配网络设计。其方 法是在元件面板列 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 选择实用 Simth 圆图工具 Smith Chart Matching，然后在工具菜单栏中 选择 Smith Chart Utility工具，输入负载反射系数后，就可以利用 ADS 所提供的这种智能 元件进行阻抗匹配设计，最后自动生成子网络。 使用史密斯圆图工具经过调整后达到匹配。由于匹配电路的拓扑结构多样，应选择一种 简单且便于实际工程设计的网络结构，本文采用由集总元件构成的无耗 L 型网络，如下图 所示为实用 Simith 工具自动生成的一种匹配电路拓扑结构，从中可以观察其反射系数在工 作频带的频率响应曲线，所生成的放大器输出子网络，可以直接添加或复制到原理图中。 5 匹配后的电容值 匹配后的电感值 五．单级放大器的优化 1.优化目标 在 2.1G到 2.4G的频段上，输入输出驻波比小于-10dB，增益在 12dB到 14dB之间，噪 声系数 nf（2）小于 0.8dB，稳定系数Mu1大于 1.（选取射频介质基板的参数为：介电常数 εr=4.3,基板厚度 H=0.8mm。） 2.优化方式 输出匹配网络的设计采用 S参数优化方法， S参数设计法是将晶体管看做是一个黑盒 子，只知道它的端口参数，是从系统或者网络的角度出发来设计放大器。首先设定匹配网络 的集总器件为优化变量，优化的目标为噪声系数、增益、输入驻波比、输出驻波比等，给上 6 述原理图增加优化仿真器 OPTIM 和优化目标控件 GOAL。通过设置 Optim中的优化方式 来对 Var中的变量进行优化，以满足上述设计要求。这里可以选择 Random（随机）方式或 者 Gradient（梯度）等方式进行自动优化这些电路参量。也可通过使用 Tuning来手动调节。 Random的优化方式有利于快速找到比较好的参数初始值，以便为以后的优化打好基础。而 Gradiant的优化方式可以更精确的找到较好的优化值，但是缺点是速度较慢。 应用 tunning时应该把 Optim禁用，通过改变参量的最大最小值和步长也可以得到较好的仿 真效果。 3.单级放大器原理图 7 4.仿真参数和波形 由上图可知优化后的仿真参数，由 CurrentEF为负，及优化后的电路以满足设计目标的全部 要求。 8 A)S参数 B）稳定系数和噪声系数 C)输入输出驻波比 六．两级级联放大器的优化 1.两级级联匹配原理 为了进一步改善低噪声放大器的增益、增益平坦度及稳定性，可以采用多级放大器级联 的形式满足需求。本文所选择的低噪管具有很低的噪声系数和较高的 1dB 压缩点，在仿真 中直接将两级相同的单级放大器通过耦合电容进行耦合，前级采用最佳噪声输入匹配，后级 采用双共轭匹配，经过匹配网络调谐和进一步优化后，得到性能更加良好的电路。 9 2.优化目标 在 2.1G到 2.4G的频段上，输入输出驻波比小于-10dB，权重为 5；增益在最小值为 17dB， 权重为 10；噪声系数 nf（2）小于 0.5dB，权重为 5；稳定系数Mu1大于 1权重为 10。 3.优化方式 通过设置 Optium中的优化方式来对 Var中的变量进行优化，以满足上述设计要求。 这里可以选择 Random方式或者 Least Path等方式进行自动优化这些电路参量。也可通过使 用 Tuning来手动调节。 Least Path是一种最快找到最好优化参数的优化方式。 10 由于两级放大电路电路参数联动比较厉害，因此只能用 Least Path优化后再用 Tuning进行微 调已取得效果更佳。 4.两级放大器原理图 5.仿真参数和波形 11 由上图可知优化后的仿真参数，由 CurrentEF为负，及优化后的电路以满足设计目标的全部 要求。 A)S参数 12 B）稳定系数和噪声系数 C)输入输出驻波比 七．心得体会 1.了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。学习熟悉了使用 ADS软件进行微 波有源电路的设计，优化，仿真的全过程。 2.通过单级和两级放大器的调试和仿真，使我了解了 ADS 软件设计低噪声放大 器的流程和方法以及相关元件库文件和元件库的使用。 3.通过本次设计，两级放大器的仿真效果确实比单级放大器的仿真效果更好。两 级放大器的增益更大，带宽更大。因为两级放大器比单级放大器多了一些可优化 的参变量如 L6……L10 等。