低噪声放大器的设计与仿真

低噪声放大器的设计要求 (2)

低噪声放大器的设计 (2)

一、直流分析与偏置电路设计 (2)

二、稳定性分析 (4)

三、噪声系数圆和输入匹配 (5)

四、最大增益的输出匹配 (7)

五、电路整体微调 (9)

六、版图设计 (12)

心得与体会 (13)

参考文献 (13)

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低噪声放大器的设计要求

Use Avago’s ATF-331M4 to design a LNA

1. Operation Frequency rang:

2.4 GHz ~ 2.5 GHz

2. Noise Figure below 0.7 dB;

3. Gain > 13 dB; (Feasible maximum gain is 16.1 dB at 2.5 GHz)

（曾经为15dB，后改为13dB）

4. VSWR(input)<1.5;

5. VSWR(output)<1.5;

Use the schematic tool to simulate and realize it with the layout tool (Momentum) in ADS. Give both the schematic and layout of the final LNA amplifier circuit, detailed simulation procedure, and the simulation results obtained with both the schematic and layout circuit.

低噪声放大器的设计

低噪声放大器的设计步骤

1、直流分析与偏置电路设计

2、稳定性分析

3、噪声圆系数与输入匹配

4、最大增益的输出匹配

5、电路整体微调

6、版图设计

以下将详细叙述这些设计步骤。

一、直流分析与偏置电路设计

1、从ATF-331M4的说明文档如图1可以看出，2GHz下它在V DS为4V、I d为40-80mA时噪声系数在0.6左右，且增益去到15dB以上，符合设计要求。为使增益尽可能地大，故确定晶体管的偏置V DS=4V，I d=80mA；

2、从Avago的官网下载ATF-331M4的模型，并在ADS2015.01下如图2进行直流分析，以确定偏置V GS的电压。由于ATF-331M4有两个源端，为使每个源端电流为80mA，故应选择I d约为160mA的栅极电压。由直流仿真结果可得V GS 约为-0.35V；

3、确定静态工作点后则可设计偏置电路。本来ADS中有一个“DA_FETBias”的控件工具可以方便地设计偏置电路，但由于需要将晶体管的栅极电压偏置于负电压，这个工具便难以胜任，故只能手动设计偏置电路。使用+5V和-5V的双电源和标称电阻值，可计算出分压器的两个电阻分别为130Ohm和150Ohm时栅极电压约为-0.35V。由于漏极电流约为160mA，要使漏极电压为4V时可计算出漏极电阻约为6.2Ohm。最后得到电路图及直流仿真结果如图3示。

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图1 A TF-331M4说明文档

(a)电路图(b)仿真结果

图2 直流分析

图3 偏置电路及仿真结果

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二、稳定性分析

1、向电路图中加入3.9nH的扼流电感L1、L2，3.9pF的旁路电容C1、C2和22nH 的隔直电容C3、C4后，再在输入和输出端加入50Ohm的Term控件，以及StabFact 和MaxGain控件，进行S系数仿真。如图4可见此时稳定系数K在2.4GHz下为0.848，电路不稳定，同时电路在2.5GHz时MaxGain为17dB；

图4 稳定系数及最大增益仿真结果

2、为使系统稳定，故如图5a在源端处添加微带线作电感引入负反馈。同时使用变量控件调节微带线的长度反复仿真。最后得到长度在1.2mm时稳定系数K在

2.4GHz下为1.002，系统稳定，但MaxGain降低至1

3.8dB。

(a)在源端加入微带线负反馈提高稳定系数

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(b)微调后的稳定系数(c)微调后的最大增益

图5 提高系统稳定系数

三、噪声系数圆和输入匹配

1、进行噪声仿真并画出NFmin参数，如图6可见在2.4GHz时NFmin为0.435dB。接下来就是要设计一个适当的输出匹配网络来实现最小噪声系数；

图6 最小噪声系数图7 噪声圆和增益圆

2、画出噪声圆和增益圆如图7所示。其中M4为增益最大的输入阻抗，增益为14.406；M5为噪声最小的输入阻抗，最小噪声系数为0.435dB。但两者并不重合，需要在这两者之间权衡考虑。对于低噪声放大器，尤其是第一级放大器，首要考虑的是最小噪声。所以选用M5点的阻抗即32.781-j9.934作为输入端的阻抗进行匹配。此时增益约为13.206dB，仍然符合设计要求；

3、如图8使用Smith圆匹配工具DA_SmithChartMatch进行输入阻抗匹配，生成使用微带线的匹配网络。再次进行仿真，可见此时噪声圆的M5点正好匹配至50Ohm，且噪声系数nf(2)在2.4GHz下与NFmin相等，即噪声系数已经达到最优化；

4、如图9将生成的匹配网络放进电路图中并移至隔直电容后，再使用LineCalc 程序将微带线转换至实际长度后进行仿真。可见此时噪声优化点已偏离50Ohm，同时噪声系数nf(2)偏离最小噪声系数NFmin。故使用微调工具对输入匹配网络的微带线长度进行微调，使噪声系数达到最优。

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(a)Smith圆匹配工具

(b)噪声系数在2.4GHz达到最优(c)M5刚好匹配至50Ohm

图8 输入匹配

(a)噪声系数偏离最优值(b)微调后噪声系数接近最优值6