低噪放设计

低噪声放大器设计报告
学生姓名：李江江学号：2 单位：物理电子学院
一、技术指标：
频率：5.25 GHz~5.55 GHz 噪声系数：小于0.5 dB (纯电路噪声系数不考虑连接损耗)
增益：大于20dB 增益平坦度：每10MHZ带内小于0.1dB
输入输出驻波比：小于2.0 输入输出阻抗：50
二、理论分析
低噪声放大器(LNA)在接收机系统中处于前端,主要作用是放大接收到的微弱信号,降低噪声干扰。

LNA的设计对整个接收机性能至关重要,其噪声系数(NF)直接反映接收机的灵敏度。

随着通讯、雷达技术的发展,对微波低噪声放大器也提出了更为严格的要求。

利用微波电路CAD设计软件,结合可靠的LNA设计理论来进行电路设计，可以避开复杂的理论计算,极大地提高设计准确性和效率，有效缩短研制周期,降低成本。

( A D S ) 软件是A g i l e n t 公司在H P E E S O F 系列E D A 软件基础上发展完善的大型综合设计软件，它功能强大，能够提供各种射频微波电路的仿真和优化设计，广泛应用于通信、航天等领域，是射频工程师的得力助手。

本文着重介绍如何使用ADS 进行低噪声放大器的仿真与优化设计。

LNA的性能指标主要是噪声系数、增益、工作频带、电压驻波比和带内平坦度等，尤其是噪声系数和增益对整机性能影响较大。

要实现理想功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗相匹配,这就需要插入匹配网络。

放大管存在最佳源阻抗Zsop,t LNA的输入端应按Zsopt进行匹配,此时放大器的噪声系数为最小。

而为了获得较高的功率增益和较好的输出驻波比,输出端则采用输出共轭匹配。

如果增益不够，则需要采用多级放大电路。

原则上前级放大器相对注重噪声系数性能，后级放大器则相对注重增益性能。

也就是说，输出端口和级间针对增益最大和平坦度进行匹配电路设计。

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
三、设计过程：
（1）直流分析
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。

图1 偏置电路图
m1
0204060
-20
80VGS=-0.500
VGS=-0.450VGS=-0.400VGS=-0.350VGS=-0.300VGS=-0.250VGS=-0.200VGS=-0.150VGS=-0.100VGS=-0.050VGS=-6.939E -17VGS=0.050VGS=0.100VGS=0.150VGS=0.200VGS=0.250VGS=0.300VGS=0.350VGS=0.400VGS=0.450VGS=0.500VGS=0.550VGS=0.600VGS=0.650VGS=0.700VGS=0.750VGS=0.800VGS=0.850VGS=0.900VGS=0.950VGS=1.000VDS
I D S .i , m A
m1
VDS=IDS.i=0.010
VGS=-0.350000
2.0002.000
0.019
VDS
Device Power
Consumption, Watts
Values at bias point indicated by marker m1.Move marker to update.
图2 直流扫描
综合上述分析，选择晶体管直流设计为VDS=2 V ，IDS=10 mA 。

2 偏置电路设计
依据ADS 里直流偏置的仿真，取 Id=10mA ，Vds=2V ，此时 Vgs=-0.35V 左右。

这种无源偏置电路容易理解， 不像有源电路那么复杂。

和单电压供电的自偏压电路相比，这种电路要提供双电压。

但是由于自偏压电路会引入反馈，这个反馈在稳定工作点的同时也降低了增益，加大了噪声，所以没有采用自偏压电路。

偏置电路原理如下图 所示。

图3 偏置电路原理图
图4 稳定性判断电路原理图
3 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。

判断稳定性的方法有很多，我们只要选一种就可以了。

原理图如图 4 如示，ADS 仿真的结果中的表格可以看出 K<1，B1>0，所以放大器是不稳定的。

m2
m3
freq, GHz S t a b F a c t 1
m2
m3freq=StabFact1=0.364
5.250GHz freq=StabFact1=0.384
5.550GHz 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1.421.431.441.451.46
1.471.41
1.48freq, GHz
S t a b M e a s 1
图5 ADS 仿真结果
在源极添加一个小电感，引入负反馈，使放大器工作在稳定区。

最后替换为一节微带线。

图6 源极添加一个小电感后的电路图
图7 替换为微带后的电路图
m2
m3
0.20.40.60.8
1.00.0
1.2
freq, GHz
S t a b F a c t 1
m2m3
freq=StabFact1=1.0015.200GHz freq=StabFact1=1.001
5.600GHz
10
20
30
40
50
freq, GHz
M
a
x
G
a
i
n
1
m1
m1
freq=
MaxGain1=9.376
5.400GHz
图8 最终仿真结果
图9 稳定后的电路图
4 匹配设计
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smith圆图、集总参数元件、、微带双枝节等多种智能元件，本文利用ADS的微带单枝节综合工具很清晰方便的实现自动匹配网络设计。

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，本文采用由微带单枝节元件构成的网络，如下图所示为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。

图10 匹配电路拓扑结构
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
-100
-50
-150
50
freq, GHz
r e a l (Z i n 1)
i m a g (Z i n 1)r e a l (Z o u t 1)i m a g (Z o u t 1)
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
-8-6-4-202
46-10
8freq, GHz
d B (S (1,1))
d B (S (2,1)) 5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
0.50.60.70.80.9
1.00.4
1.1freq, GHz
S t a b F a c t 1
S t a b M e a s 1
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
234567819freq, GHz
V S W R 1
V S W R 2
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
1.01.21.41.61.8
2.0
2.22.40.82.6freq, GHz
n f (2)
单级优化
在5.25 GHz 到5.55 GHz 的频段上，输入输出驻波比小于2，增益在10dB
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 =2.2,基板厚度H=0.508 mm 。

）
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
-15
-10-5
5
-2010freq, GHz d B (S (1,1))
d B (S (2,1))
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
1.0010
1.0015
1.0020
1.0025
1.0005
1.0030
freq, GHz
S t a b F a c t 1
图11 S21 S11图
两级级联优化
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。

图12 两级级联优化后的结构图
最终结果
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
-20-10
010
20-3030freq, GHz d B (S (1,1))
d B (S (2,1)) 5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
1.0101.015
1.0201.025
1.030
1.005
1.035freq, GHz S t a b F a c t 1
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
1.21.3
1.41.51.6
1.71.11.8freq, GHz
V S W R 1
V S W R 2 5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
5.55
5.20
5.60
0.54
0.56
0.58
0.52
0.60
freq, GHz
n f (2)
图13 最终仿真结果曲线图
四、 设计结果及存在问题分析：
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。