低噪声放大器的设计方法精品PPT课件
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选择Marker->New在圆稳定 圆上添加一个数据Marker。 按下方向键移动Marker，可 以看出圆稳定圆上对应阻抗 实部的最大值为 Z说0*只0要.02在4=晶1体.2管Oh输m入，端也串就联是 一个阻值大于1.2Ohm的电阻 就可以使晶体管处于绝对稳 定状态
4.2 晶体管稳定性设计(续)
4.1 晶体管的选择（续）
点击 进入ADS自带的元件库， 在弹出窗口上方点击 ，进行 查找。 这里我们所需要的晶体管 为Agilent的ATF-36077，因此我 们只需输入关键字36077进行查
找点，击注Ap意ply查，找稍范后围会为显所示有查器找件结库。 果如右图。其中前缀为ph表示晶 体管大信号模型，使用时需要添 加一定的偏置电路；前缀为sp的 表示晶体管s参数模型，是在特 定偏置条件下，一定频段范围内 测试得到的晶体管s参数，可以 直接使用，但是不能用来进行直 流偏置仿真。一般sp模型用于电 路的初始设计，这种模型由于是 基于测试的结果，因此精度最好
4.2 晶体管稳定性设计
原理图窗口左上角下拉列表选择 在左侧工具栏中选择 ，在原理图中添加两 个term后连接电路如下图所示。
4.2 晶体管稳定性设计(续)
左侧工具栏中选择
和 ，分别在原理 图中放置一个s参数 仿真控件和一个环境 变量控制控件。并如 右图所示将OPTIONS 控件中的噪声仿真温 度Temp改为IEEE标 准温度16.850C
4.1 晶体管的选择
打开ADS软件，点击Create A New Project创建新的工 程，名为MW_LNA，长度单位为mm
4.1 晶体管的选择（续）
点击OK后同时弹出一个原理图窗口，先保存设计。由 于我们将在这个原理图窗口中进行晶体管的基于s参数 的仿真设计，因此这里将其命名为FET_sp
4.1 晶体管的选择（续）
这里先选择s参数模型的场效应晶体管sp_hp_ATF36077_19940627进行初始设计；
从下图可以看出，该晶体管的偏置情况为Vds=1.5V， Id=10mA。模型适用频率范围为0.5~18.0GHz，如果 所设计的电路的工作频率不在这个范围内，就需要考 虑换其它型号的晶体管。
修改原理图，在晶体管栅极添加一个1.5Ohm 的电阻。修改S参数仿真控件为Linear仿真模式， 频率范围为11.5~12.5GHz，步距0.01GHz。
4.2 晶体管稳定性设计(续)
仿真过后，在数据窗口中选择 以曲线方式显 示K，Mag_delta，以及NFmin。可以看出在输 入端串联电阻后，晶体管在工作频率附近都处 于绝对稳定状态。同时噪声性能也有所下降。
4.2 晶体管稳定性设计(续)
原理图窗口左边工具栏中点击 和 ，分别添加源稳 定性圆和负载稳定性圆计算控件。并将控件中第二个 参数由51改为101
4.2 晶体管稳定性设计(续)
按下F7仿真后弹出数据显示 窗口，选择左边工具栏中 的 ，将源稳定圆和负载稳 定圆显示在Smith圆图中。双 击圆图，选择弹出对话框中 的Plot Option标签，取消 Auto Scale，在Max对话框中 填1。
满足稳定性条件，且结构工艺上易实现。
4. 用ADS进行LNA的设计
本节主要讲述以下几个方面的内容： 1. 如何选择合适的晶体管； 2. 如何用ADS进行晶体管的稳定性设计； 3. 如何用ADS画出晶体管的等增益圆和等噪声系数圆； 4. 如何用ADS进行LNA输入输出匹配电路设计； 5. 如何用ADS进行LNA电路整体性能的仿真。 将设计的LNA指标为： 1. 工作频率f=12GHz； 2. 输出VSWR=1.5带宽800MHz以上； 3. 输出噪声系数nf(2)<1dB，功率增益>12dB；
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
2. 输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50 完整设计步骤： 1. 确定放大器级数 2. 选择合适晶体管 3. 决定电路拓朴结构 4. 电路初步设计 5. 用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟
3. LNA基本电路模块和设计原则
再选择Display标签，勾上Freq选项，将所仿真 的频率显示出来（下页右图）
4.2 晶体管稳定性设计(续)
4.2 晶体管稳定性设计(续)
修改好后的电路图如下图所示
4.2 晶体管稳定性设计(续)
选择 放置一个稳定系数计算控件，以自动计算晶体 管的Rollett因子。将控件名字由StabFact1改为K；
Biblioteka Baidu
4.2 晶体管稳定性设计(续)
将s参数仿真控件改为单点仿真模式。双击原 理图中的控件S-PARAMETERS，在弹出窗口中 选择Frequency标签，在下拉列表框中选择 single point，Frequency为12GHz（下页左 图）；
选择Noise标签，勾上Calculate Noise选项，在 s参数仿真中包括噪声参数（下页中图）；
设计实验3 低噪声放大器的设计
1. 实验目的
熟练掌握低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA)的工作原理，基本指标；
熟练掌握低噪声放大器的设计方法； 学习如何使用ADS进行射频和微波有源电
路的仿真，设计和优化。
2. LNA设计的依据与步骤
依据： 1. 满足规定的技术指标
P3
P1
P2
Z0
输入
a1
a2
微波
输出
匹配
b1 器 件 b2
匹配
电路
[S]
电路
P4 Z0
Zs Zin Γ sΓ 1
Zout ZL Γ 2Γ L
输入匹配优先满足低噪声要求，即根据输入等增益圆、等噪声圆，选 取合适的s ，作为输入匹配电路设计依据；
输出匹配电路设计以提高放大器增益为主，即选取合适的L = 2*作为 输出匹配电路设计依据，其中1，2 的表达式详见教材相应章节；
选择 在原理图中插入公式： Mag_delta=mag(S11*S22-S12*S21)
4.2 晶体管稳定性设计(续)
点击 或按下F7开始仿真 仿真结束后弹出数据显示窗口。点击左边工具栏中
的 ，采用数据列表的方式显示K,Mag_delta,以及晶 体管噪声参数Rn,Sopt,和NFmin如下图所示。结果 Mag_delta<1,K<1,说明晶体管是潜在稳定的，因此有 必要进行稳定性设计
4.2 晶体管稳定性设计(续)
4.1 晶体管的选择（续）
点击 进入ADS自带的元件库， 在弹出窗口上方点击 ，进行 查找。 这里我们所需要的晶体管 为Agilent的ATF-36077，因此我 们只需输入关键字36077进行查
找点，击注Ap意ply查，找稍范后围会为显所示有查器找件结库。 果如右图。其中前缀为ph表示晶 体管大信号模型，使用时需要添 加一定的偏置电路；前缀为sp的 表示晶体管s参数模型，是在特 定偏置条件下，一定频段范围内 测试得到的晶体管s参数，可以 直接使用，但是不能用来进行直 流偏置仿真。一般sp模型用于电 路的初始设计，这种模型由于是 基于测试的结果，因此精度最好
4.2 晶体管稳定性设计
原理图窗口左上角下拉列表选择 在左侧工具栏中选择 ，在原理图中添加两 个term后连接电路如下图所示。
4.2 晶体管稳定性设计(续)
左侧工具栏中选择
和 ，分别在原理 图中放置一个s参数 仿真控件和一个环境 变量控制控件。并如 右图所示将OPTIONS 控件中的噪声仿真温 度Temp改为IEEE标 准温度16.850C
4.1 晶体管的选择
打开ADS软件，点击Create A New Project创建新的工 程，名为MW_LNA，长度单位为mm
4.1 晶体管的选择（续）
点击OK后同时弹出一个原理图窗口，先保存设计。由 于我们将在这个原理图窗口中进行晶体管的基于s参数 的仿真设计，因此这里将其命名为FET_sp
4.1 晶体管的选择（续）
这里先选择s参数模型的场效应晶体管sp_hp_ATF36077_19940627进行初始设计；
从下图可以看出，该晶体管的偏置情况为Vds=1.5V， Id=10mA。模型适用频率范围为0.5~18.0GHz，如果 所设计的电路的工作频率不在这个范围内，就需要考 虑换其它型号的晶体管。
修改原理图，在晶体管栅极添加一个1.5Ohm 的电阻。修改S参数仿真控件为Linear仿真模式， 频率范围为11.5~12.5GHz，步距0.01GHz。
4.2 晶体管稳定性设计(续)
仿真过后，在数据窗口中选择 以曲线方式显 示K，Mag_delta，以及NFmin。可以看出在输 入端串联电阻后，晶体管在工作频率附近都处 于绝对稳定状态。同时噪声性能也有所下降。
4.2 晶体管稳定性设计(续)
原理图窗口左边工具栏中点击 和 ，分别添加源稳 定性圆和负载稳定性圆计算控件。并将控件中第二个 参数由51改为101
4.2 晶体管稳定性设计(续)
按下F7仿真后弹出数据显示 窗口，选择左边工具栏中 的 ，将源稳定圆和负载稳 定圆显示在Smith圆图中。双 击圆图，选择弹出对话框中 的Plot Option标签，取消 Auto Scale，在Max对话框中 填1。
满足稳定性条件，且结构工艺上易实现。
4. 用ADS进行LNA的设计
本节主要讲述以下几个方面的内容： 1. 如何选择合适的晶体管； 2. 如何用ADS进行晶体管的稳定性设计； 3. 如何用ADS画出晶体管的等增益圆和等噪声系数圆； 4. 如何用ADS进行LNA输入输出匹配电路设计； 5. 如何用ADS进行LNA电路整体性能的仿真。 将设计的LNA指标为： 1. 工作频率f=12GHz； 2. 输出VSWR=1.5带宽800MHz以上； 3. 输出噪声系数nf(2)<1dB，功率增益>12dB；
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
2. 输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50 完整设计步骤： 1. 确定放大器级数 2. 选择合适晶体管 3. 决定电路拓朴结构 4. 电路初步设计 5. 用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟
3. LNA基本电路模块和设计原则
再选择Display标签，勾上Freq选项，将所仿真 的频率显示出来（下页右图）
4.2 晶体管稳定性设计(续)
4.2 晶体管稳定性设计(续)
修改好后的电路图如下图所示
4.2 晶体管稳定性设计(续)
选择 放置一个稳定系数计算控件，以自动计算晶体 管的Rollett因子。将控件名字由StabFact1改为K；
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4.2 晶体管稳定性设计(续)
将s参数仿真控件改为单点仿真模式。双击原 理图中的控件S-PARAMETERS，在弹出窗口中 选择Frequency标签，在下拉列表框中选择 single point，Frequency为12GHz（下页左 图）；
选择Noise标签，勾上Calculate Noise选项，在 s参数仿真中包括噪声参数（下页中图）；
设计实验3 低噪声放大器的设计
1. 实验目的
熟练掌握低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA)的工作原理，基本指标；
熟练掌握低噪声放大器的设计方法； 学习如何使用ADS进行射频和微波有源电
路的仿真，设计和优化。
2. LNA设计的依据与步骤
依据： 1. 满足规定的技术指标
P3
P1
P2
Z0
输入
a1
a2
微波
输出
匹配
b1 器 件 b2
匹配
电路
[S]
电路
P4 Z0
Zs Zin Γ sΓ 1
Zout ZL Γ 2Γ L
输入匹配优先满足低噪声要求，即根据输入等增益圆、等噪声圆，选 取合适的s ，作为输入匹配电路设计依据；
输出匹配电路设计以提高放大器增益为主，即选取合适的L = 2*作为 输出匹配电路设计依据，其中1，2 的表达式详见教材相应章节；
选择 在原理图中插入公式： Mag_delta=mag(S11*S22-S12*S21)
4.2 晶体管稳定性设计(续)
点击 或按下F7开始仿真 仿真结束后弹出数据显示窗口。点击左边工具栏中
的 ，采用数据列表的方式显示K,Mag_delta,以及晶 体管噪声参数Rn,Sopt,和NFmin如下图所示。结果 Mag_delta<1,K<1,说明晶体管是潜在稳定的，因此有 必要进行稳定性设计