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1、湖南理工学院射频电路设计与仿真课程设计关于射频低噪声放大器的ADS设计姓名：唐苗妙班级：07电信二班 学院：信息与通信学院 指导老师：栗向军目 录1.低噪声放大器特点及指标 31.1. 工作频率与带宽31.2. 噪声系数31.3. 放大增益41.4. 放大器的稳定性 41.5. 输入阻抗匹配51.6. 端口驻波比和反射损耗52低噪声放大器设计仿真及优化52.1设计目标52.2仿真设计62.3电路容差分析133.结论151.低噪声放大器特点及指标随着通信技术的飞速发展，人们对各种无线工具的要求越来越高，功率辐射 小、作用距离小、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通信设备制造商的普遍要 求，这对系统
2、的灵敏度要求越来越高，系统接收灵敏度有下式给出：S=-174+NF+ 101og(BW)+S/N式中NF为噪声系数，BW为系统带宽，S/N为输入信号信噪比。因此，在 各种特定的无线通信系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪 声系数NF,而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪 声放大器。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低 噪声干扰，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要。 低噪声放大器的主要指标包括：工作频率与带宽、噪声系数、放大增益、输入阻 抗匹配、端口驻波比和反射损耗动态范围等等。1.1.工作频率与带宽放大器所能允许的工作
3、频率与晶体管的特征频率fT有关，由晶体管小信号 模型可知，减小偏置电流的结果是晶体管的特征频率降低。在集成电路中，增大 晶体管的面积使极间电容增加也降低了特性频率。LNA的带宽不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带 内噪声要满足要求，并给出各频点的噪声系数。动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放大器 非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。1.2.噪声系数 在电路某一特定点上的信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比,简称信噪比, 用符号NF(或S/N)表示。放大器噪声系数是指放大器输入端信号噪声功率比 SNRin与输出端信号噪声功率比SNR
4、out得比值。即NF二SNRin/SNRout噪声系数的含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏; 信噪比下降的倍数就是噪声系数。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，而与 负载阻抗无关。当一个晶体管的源端所接的信号源的阻抗等于它所要求的最佳信 号源阻抗时，由该晶体管构成的放大器的噪声系数最小。实际应用中放大器的噪 声系数可以表示为1_ + 嘉Fmin是当源端为最佳源阻抗时放大器的最小噪声系数，Rn是噪声阻抗， opt是放大器按最小噪声系数匹配时的最佳源反射系数【2】。由此可见放大器的 输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计，也就是根据所选晶体管的opt来 进行设计。设计输出
5、匹配电路时采用共轭匹配，以获得放大器较高的功率增益和 较好的输出驻波比。对于多级放大器来说，其噪声系数由下式决定：NF=Fl+(F2-l)/Gal+(F3-l)/Gal*Ga2其中NFn为第n级放大器的噪声系数，Gn为第n级放大器的增益。在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很 不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为：Te=To (NF-1)其中Te为放大器的噪声温度To=2900K, NF为放大器的噪声系数。1.3.放大增益 根据线型网络输入、输出端阻抗的匹配情况，有三种放大器增益：工作功率增 益GP、转换功率增益GT、资用功率增益GA。低噪声
6、放大器的增益要适中，太大 会使下级混频器输入太大，产生失真。但为了抑制后面各级的噪声对系统的影响， 其增益又不能太小。放大器的增益首先与管子跨导有关，跨导直接由工作点的电 流决定。其次放大器的增益还与负载有关。低噪声放大器大都是按照噪声最佳匹 配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，以此增益G要下降。噪声最 佳匹配情况下的增益成为相关增益。通常，相关增益比最大增益大约低2-4dB。 增益平坦度是指功率最大增益与最小增益之差，它用来描述工作频带内功率增益 的起伏，常用最高增益与最小增益之差，即 G(dB)表示。G=Pout/Pin1.4放大器的稳定性图1晶体管放大器电路原理框图图1晶体答敢大
7、器电路原理框图放大器必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。这一点对于射 频电路是非常重要的，因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的 趋势。考察电压波沿传输线的传输，可以理解这种振荡现象。若传输线终端反射 系数01,则反射电压的幅度变大（正反馈）并导致不稳定的现象。反之，若 01，将导致反射电压波的幅度变小（负反馈）。当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1,即invl,outvl时，不 管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定；当输入端或输出端 的反射系数的模大于1时，网络是不稳定的，称为条件稳定。对条件稳定的放大 器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是
8、有一定的范围，否则放大器不能稳 定工作【3】。1.5.输入阻抗匹配低噪声放大器与其信号源的匹配是很重要的。放大器与源的匹配有两种方 式：一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配，二是以获得最大功率传输和最 小反射损耗为目的的共轭匹配。一般来说，现在绝大多数的LNA均采用后一种 匹配方法，这样可以避免不匹配而引起LNA向天线的能量反射，同时，力求两 种匹配接近。16端口驻波比和反射损耗低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设 计的，其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。此外， 由于微波场效应晶体或双极性晶体管，其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB 规
9、律随频率升高而下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和 输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压低增 益，以保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。2低噪声放大器设计仿真及优化2.1设计目标低噪声放大器的设计目标是：频率：2.1GHz2.4GHz噪声系数：小于0.5dB （纯电路噪声系数不考虑连接 损耗）增益：大于15dB增益平坦度：每10MHZ带内小于0.1 dB输入输出驻波比：小于2.0输入输出阻抗：50Q2.2仿真设计在较高的频段设计低噪声放大器，通常选用场效应管FET和高电子迁移率晶 体管（HEMT）。影响放大器噪声系数的因素有
10、很多，除了选用性能优良的元器 件外，电路的拓扑结构是否合理也是非常重要的。放大器的噪声系数和信号源的 阻抗有关，放大器存在着最佳的信号源阻抗Zso,如果所示，此时，放大器的噪 声系数应该是最小的，所以放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设 计，也就是根据所选晶体管的ropt来进行设计。为了得到较高的功率增益和较 好的输出驻波比，输出匹配电路则采用共扼匹配。输入匹配电路在达到最佳噪声 时，放大器的输入阻抗未必恰好与信号源阻抗匹配，因而功率放大倍数不是 最大。设计放大器时，首先考虑的是噪声尽可能低，其次才考虑增益的问题。因 此，牺牲一点增益来换取噪声系数的降低是必要的，两者之间应该取一个合适
11、的 折中。LNA采用两级放大的方式来实现，为使放大器具有更低的噪声，第一级 的工作点应根据最小噪声系数来选取最佳的工作电流。为保证有足够的增益，第 二级应从最佳增益条件来考虑，同时兼顾噪声。具体的设计流程：建立工程：1.首先选择合适的器件。选择适用于工作频率且具有可接受的增益和噪声系数 的BJT、JEFT和MESFET。工作频率在6GHz以下时，大多使用双极晶体管；工 作频率在6GHz以上时，大多选用场效应晶体管。而且，通常要求晶体管的截至 频率大于或等于2-3倍的工作频率。低噪声放大器则要求截至频率更高一些。本 文选取NEC公司低噪声产品系列的NE3210S01 N沟道HJFET，其性能如图
12、2 所示，它在24GHz的频宽内增益在18dB以上，噪声系数在0.5dB以下，符合 设计指标。上网下载并安装NEC公司提供的ADS DesignKit for NEC Electronics， 该工具包集成了NEC系列低噪声放大器的FET、JBJT、HJ-FET， 安装在ADS中后可以从元件库面板中选择所需的管子。由于Design Kit中的元 器件是已经封装好的晶体管，所以无需再在ADS中建立其Spice模型，直接从 手册中查到所选取管子在特定偏置下的各个工作点的S参数，从中选择恰当的工 作点，使得以此为依据在电路原理图中设计偏置电路。合适且稳定的工作点决定 了管子的动态范围，是保证放大器不
13、出现平顶失真的前提，而且直接影响放大器 的高频稳定性，本文选择典型的静态工作点VDS = 2.0V，ID=10mA【4】。图1W#+ v. It 10 mAMAk-AHti-mu应214 1gwUQ3ODXI3Q.EOQ34IZ7.5QCM2124 1OD46113口曲自OTfl口 PWHM 3QH3WSeosa删4口曲M3QW耐口 C沖TITQDFJ5QF?却中d Mlii ?giMQD923 5WBJFjG0 095OlM-恭a g3 A41Ia idA3 TO&a lie3 M211$.HI3&iF-41o tw-l)i4a mjd期 |眄 pii3 i&O-K.40.H3-S5S0 I
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