LNA

2.
设计原理：
Avago 公司的 ATF54143 E-PHEMT 器件具有高增益，高线性度和低噪声的特性，这使得
ATF54143 适用于频率范围在 450MHz～6GHz 无线系统的各种 LNA 电路中。
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与典型的 D-PHEMT 不同，ATF45143 并不需要在门级上加负电压偏置，而是在门级加正电 压偏置。因此，ATF54143 的偏置电路更像是双极型晶体管的偏置电路。但是与一般的双极型 晶体管不同，它的偏置电压不是 0.7V，而是工作在大约 0.6V。 设计的目标是一个高性能的工作在 1.9GHz 频点的 LNA 射频电路。该电路设计的首要问题 是需要选取合适的直流工作点。这里选取 ATF54143 的典型直流工作点参数 Vdd=3V,Lds=60mA。 从数据手册上则可以得到相应直流工作点的 S 参数模型。结合上述设计原则以及 S 参数数据， 就可以设计出如下所示的 LNA 电路。
在 MWO 中，你可以很方便的进行多个元件值的调谐，只需要用鼠标左键点击一次上方工 具栏中的 图标，然后将鼠标移到电路原理图中，鼠标指针会显示为改锥的形状，用改锥直 接点击你需要调谐的元件的值，那么这些值就会变成蓝色。你可以同时选中多个要调谐的元件 值。选取完毕后，在电路图的空白处再点击一次，鼠标指针就会恢复到正常状态。
necessary(K )
1 S 11 S 22 S 11 S 22 S 12 S 21 2 S 12 S 21
2
2
2
B1 = 1+|S11|2-|S22|2-|S11S22 - S12S21|2
放大器绝对稳定的充分必要条件为
B1 0 K 1
改善放大器稳定性可以采取若干方法,常用的是端口串(并)接阻抗法和负反馈法等。对于 非绝对稳定的电路，可以在输入端匹配到 50 欧姆输入阻抗。通常情况，最大增益和最小噪声 系数不能同时达到，这就需要在两者间采取折衷的方案。
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电路中 R3 的计算是基于 Vds 和 Ids: R3=(Vdd-Vds)/(Ids+Ibb)； Vdd 是馈电电压，这里选取为 5V； Vds 是器件的漏极到源极的电压，为 3V； Ids 是所需的漏极电流，为 60mA Ibb 是流过 R1、R2 电阻分压器的电流，它一般至少为门级漏电电流的 10 倍 这样通过上述参数，可计算出 R3 约在 10-35Ω之间。 R3 旁边的电容 C6 是用来增加线性度的，这里取 10000pF,满足了以上论述的要求。 考虑到需要在门级加上 0.6V 的正向偏置电压，则可以计算出 R1 和 R2 的值。 R1=Vgs/Ibb=0.6/0.002=300Ω R2=(Vds-Vgs)/Ibb=(3-0.6)/0.002=1200Ω R5 为高电阻，用于抑制门级电流，从而提高 E-PHEMT 的效率，我们选取 R5 为 10KΩ C1、L1 为输入匹配网络， C4、L4 为输出匹配网络， C2、C5 为相应的旁路电容，根据 datasheet 的推荐，我们选取为 C1=C4=8.2pF, L1=2.7nH, L4=5.6nH, 在后续的设计中， 我们可以 利用 MWO 在 Smith 圆上画出最小噪声系数圆和等增益圆，调节 C1、L1、C4、L4 的值来进行 阻抗的调整匹配。
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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。AWR 公司的 MWO 软件由于其强大的功 能而广泛应用于射频微波电路的仿真和优化设计。 一份较好的 LNA 设计需要同时考虑到诸多因素：高增益，低噪声系数，良好的输入输出 匹配，稳定性，线性要求。这些因素同样重要，而且相互之间并不完全独立。低的噪声系数和 最佳的输入匹配在没有巧妙地反馈回路下几乎不可能同时获得。绝对稳定在很多情况下需要牺 牲一部分增益作为补偿。高的 lP3 需要高电流，而最小噪声系数通常要求较低的电流。通过一 些办法可以在低电流情况下获得较好的 lP3。 特别需要注意的是,因为高频段 FET 都存在着内部反馈,当反馈量达到一定强度时,将会引 起放大器稳定性变坏而导致自激。因此,必须保证放大器的绝对稳定,判定条件如下:定义：
注意：从 Libraries 中得到的 54143 模型默认只有两个端口，我们可以通过鼠标右键点击模型， 选择 Properties, 在标签页 Ground 中进行如下设置，这样可以显示出接地端口：
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同时，你也可以在 Symbol 标签页中将模型的 Symbol 改为你习惯的样子：
连接好电路原理图后，我们就可以开始添加测试量，进行仿真。这里我们先进行稳定因 子的测试。具体操作为，在 Project 栏中，右键点击 Graphs, 在出现的窗口中输入测试名称：
本文档讲述了如何利用 AWR 高效设计 流程进行 LNA 设计。文档详细描述了从 建立电路原理图到生成 PCB 版图，以及 利用 EXTRACT 抽取流程进行电磁验证的 完整设计过程。
LNA 设计
AWR How-to Series
Peter@
目录 1. 简介 ........................................................................... 1 2. 设计原理： ................................................................... 2 3. 理想元件建模仿真........................................................... 5 3. 考虑版图的设计 ........................................................... 15
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值得注意的是，我们可以在 ATF 54143 的 libraries 目录下面看到多个基于不同静态工作点 的模型，我们这里用的 ATF54143 的模型是基于典型直流工作点参数 Vdd=3V,Lds=60mA 条件下 带有噪声系数的 S 参数模型。 S 参数模型是基于测量的模型。大部分 LNA 厂商的模型支持这种类型。使用指定静态工作 点下带有噪声系数的 S 参数模型，其噪声系数的计算也比较精确。 与此相对的，有的厂商（比如 NEC ）的 LNA 晶体管可能会提供非线性电路模型(如 Hspice 模型)，它们在 MWO 中的使用方法是类似的，但是由于它们通常是包含逻辑电路的通用模型， 所以针对不同的静态工作点，它在噪声系数方面的模型精确度相对 S 参数模型可能会差一些。 选取模型后将其拖拽到电路原理图中，并且通过在 Elements 栏中，打开 Lumped Element 分支，选取合适的电容 Capacitor，电感 Inductor，电阻 Resistor 等元件进行连接; 利用快捷键 Ctrl+P 添加端口，利用快捷键 Ctrl+G 添加 Ground; 在 Sources – DC 分支中选取 DCVS 电压源，得 到如下的电路原理图： 6
接下来，我们点击工具栏上的 Tune 图标，进行调谐，同时，我们可以打开之前的测试 图 Stability, 可以看到结果实时动态的的更新，当变量 L1 调整为 0.523 nH 时，稳定性有了改善：
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继续增大变量 L1 ，R4, R3，稳定系数会更好，但是，我们必须考虑到这些参数调整对噪声 系数和增益的影响。所以，我们继续添加测试量：NF，Gain,以及 return loss; 分别如下位和工程的仿真频率范围。通过工具栏上的 Opinion- Project Opinions 进行设置：
然后，我们在 Project 栏中的 Circuit Schematics 中新建一个名为“ideal”的电路原理图，通 过 Elements 栏中的 Libraries 找到对应的晶体管模型： Avago - FET – ATF54143 –SPARAM -3V 60mA, 如下图所示：
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R4 是用来增强 LNA 的稳定性的电阻元件，C3 是相应的低频旁路电容，由于这里 R4 加在 输入端，考虑到对噪声性能的影响，不能太大。我们可以选取 R4 约为 50Ω， C3 为 10000pF 参考电路中在放大管源极上的 L2， L3 可以用两小段短的传输线来代替，起到增加电路稳 定性的作用。但是要注意，在放大管源极添加传输线来稳定的方法是以牺牲放大器其他性能为 代价的。同时过长的传输线增加了电路自激的可能性。具体参数我们可以再后续的仿真中通过 MWO 的实时调谐来得到合适的传输线尺寸。
很显然， K<1, LNA 在需要的频率 1900MHz 并不稳定，我们需要调整 L2，L3， R3，R4 来 使得电路在需要的频率范围内绝对稳定。 9
由于 L2，L3 是晶体管的源极连接的两小段传输线的等效模型，而且形状对称，所以我们 可以设置一个变量 L1 来为这两个电感同时赋值。只需要在电路原理图中利用快捷键 Ctrl+E, 或 者点击工具栏的图标 ，就可以在电路图中进行变量设置。
3.1 选用实际元件替换理想模型 ................................................................................................. 15 3.2 利用 iNet 进行走线绘制 ........................................................................................................ 17 3.3 自动电路抽取 (ACE) .............................................................................................................. 21
建立测试图，然后右键点击测试图 Stability ，然后选择 Add new measurement，或者点击 工具栏的图标 8 ，在测试量中选择 Linear-Stability-B1:
在同样的测试类型中选择 K,这样它们就能再同一个测试图中显示。 在前面的讨论中，我们提到，datasheet 中元件值 R3, R4 是大致估算的，是为了提升 LNA 的稳定性。并且我们也不知道 L2, L3 的值。那么，在设置 L2,L3 为 0 的情况下， B1 和 K 的测试 结果为：
4. 电磁 -电路联合仿真 ....................................................... 34
4.1 MTRACE2 的运用 ................................................................................................................... 34 4.2 抽取部分电路到 AXIEM 仿真验证 ....................................................................................... 37
5. 总结 ......................................................................... 42
1.
简介
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。