低噪声放大电路设计

低噪声放大器

我们用的是搞电子迁移率晶体管ATF54143芯片进行低噪放的设计。设计目标：

工作频率2.4~2.5G ISM频段，此频段( 2.4~2.4835GHz)主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用。

噪声系数NF<0.7

增益Gain>15

驻波比VSWRin<1.5,VSWRout<1.5

设计制作：

安装晶体管器件，器件已经给大家。进入ADS主界面，按上图操作，

找到并选中器件，安装。工程自动生成，可见下图

可以打开原理图看一下，其实就是此晶体管的封装。

再新建一个工程，名称随意，添加library，按照以下步骤：

选择add library definition file这个按钮，寻找一下刚才生成的工程的路径，进入寻找lib.defs

新建的工程里面也就添加了一个atf54143_dt，在此工程也就可以使用这个晶体管了。

新建原理图，图标，按照下图选择所需器件，右键单机，选择

place component，即可在原理图画出器件。

按下图画出原理图

可在中直接输入名称来超找器件，器件名称即

比较淡的可看作器件名，输入即可得到器

件。比如输入TERM，即可得到以前看到过的阻抗。

连接好器件后设置参数，DC_FET参数参数含义依次为起始栅极电压，终极栅极电压，栅电流值的采样点数目，初始漏-源电压，终止漏-源电压，漏-源电压值的采样点数目。

选择displaytemplate，按下按钮，选择参数

OK后记得到上一级界面按下ADD键，即添加了模版。

点击开始仿真，得到ATF54143的直流特性图。

从ATF54143的数据手册中可以读出其偏置电流曲线，

Fmin 接近最小值，增益大约为16.3dB ，满足设计要求。那么晶体管的直流工作点就设为V 3=ds V ，mA 20=ds I 。

画偏置电路：

新建一个原理图，按照下图画出原理图。器件找寻方法见上文。

再按照上图设置好元器件参数。

选择

选中其中的选项，输入晶体管的直流工

作点Vdd=5V，Vds=3V，Ids=20mA。（ATF54143的封装上有两个栅极，每个栅极电流为20mA,相加就是40mA）如图：

点击design按钮，出现偏执网络的设置，

共有三种网络可以选择，这里选择第一种。

OK后可以通过选中DA_FETBias1，单击来看偏置子电路。

记下你们自己电阻的值，后面要用。

添加一个DC器件，然后进行仿真，仿真结束后执行

可以看到仿真结果。

仿真结果只是一个参考。数值不一定要相等。

这里看Vds=3V，Id=40mA，不过我做出来Vds=3.11V，Id=37.7mA，误差有点大了……

然后可以画一个偏执电路原理图，原理图如下：

以后所有的原理图中，偏置电阻都要要从新改一下，数值为刚才在偏

置网络中记下的电阻的值。

稳定性分析：

新建原理图，按照给出的图画出原理图：（记得改偏置电阻）

顺手把参数设置一下，StabFact,MaxGain,DC几个器件不用设置了。参数设好后运行。

分两次添加MaxGain1和Stabfact1两条曲线。

得到最大增益和稳定系数K的曲线。

这里我的最大增益为19.811dB，稳定系数为0.897，小于1，而只有系数大于1时才是稳定，所以不稳定。使用负反馈可以让系统稳定，在这里我们在源极添加小电感作为负反馈。

为方便调试将两个电感设为动态用V AR来控制。

仿真出来的结果如下图所示，不过稳定性还是小于1，继续更改电感

在工作频率2.4~2.5GHz里稳定都大于了1。电感L=0.4nH，这个值按具体情况而定，不是一个确定的值，只做参考。

接下来把DC_Feed改成实际器件。

选用的是murata的电容和电阻，器件已有，添加如方法和上次添加晶体管方法一样，注意路径不能有中文名。

添加好后看原理图就多了一个器件组。

在这里我们用LQG18和GRM18代替DC_Feed。

连接好的电路如下：

更改murata电容电感的值，双击器件就可以修改

在这里用的旁路电容为1.2pF，旁路电感为3.9nH，输出端的电路串联电感值为22nH，旁路电容为10pF，分装都是0603。

运行的话还要加入一个器件，用于murata 的仿真。

最后的到的仿真结果为：

此时的低频部分已经稳定。

这里我们将晶体管源极的两个电感换成微带线。 计算公式如下：r

Z L

l ε081.11=

，其中L 为电感值，Z0为特征阻抗，这里用的PCB 板是FR4射频板。此处的l 为英寸，换算毫米为1英寸=25.4毫米。

设微带线宽为0.5mm ，特征阻抗为85.150700ohm ，可用linecalc 计算。 最后计算出l 为0.672mm ，工业生产中没有小数点后三位的精度，所以取0.7mm

再放入一个msub 并设置：

得到的仿真结果：

最大增益和稳定系数都还可以。符合要求。

使用GRM18替换DC_block再进行仿真，电容为22pF。得到仿真结果：

增益和稳定性都还可以。此时以全换成了真实器件。

在这里要注意电容方向别搞反了。

仿真噪声系数需要在S参数设置对话框把计算噪声的功能打开。双击，勾选calculate noise

进行仿真，添加曲线NFmin 看图可以看出4.95GHz时，噪声系数最小。

在出来结果的窗口中选择中的Eqn，分别输入