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