基于ADS的LNA设计.docx

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基于ADS的LNA设计

基于ADS的低噪声放大器设计与仿真

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一、设计的背景和目的

1.1低噪声放大器

在无线通信系统中，为了提高承受信号的灵敏度，一般在接收机前端放置低噪声放大器用来提高增益并降低系统的噪声系数。

1.1.1概念

低噪声放大器是噪声系数很低的放大器。

一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。

在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。

由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示。

理想放大器的噪声系数F＝1〔0分贝〕，其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。

现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管；微波低噪声放大器那么采用变容二极管参量放大器，常温参放的噪声温度Te可低于几十度（绝对温度），致冷参量放大器可达20K以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于2分贝。

放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源阻有关。

在工作频率和信源阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直流工作点有关。

为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极级联的低噪声放大电路。

1.1.2主要功能

随着通讯工业的飞速开展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下：

S=-174+NF+10㏒BW+S/N

由上式可见，在各种特定〔带宽、解调S/N已定〕的无线通讯系统中，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，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。

1.1.3主要应用领域

低噪声放大器可以使接收机承受的的微弱信号放大，并降低噪声的干扰，无失真的将信号放大传给下一级电路，是通信系统中重要的前端必备电路，因此低噪声放大器广泛应用于微波通信、GPS接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗及各种高精度测量系统等领域中，是现代IC技术开展中必不可少的重要电路。

1.2低噪声放大器的研究现状

随着半导体器件的开展，低噪声放大器的性能不断提高，采用PHEMT场效应晶体管的低噪声放大器的在800MHz频段噪声系数可到达0.4dB,增益约17dB左右，1900MHz频段噪声系数可到达0.6增益为15dB左右。

微波晶体管是较晚开发的三电极半导体器件,由于其性能优越.迅速获得了广泛应用.并不断地向高频率、大功率、集成化推进.根本作用是放大器，已根本上取代了参放.局部地代替行数.在其它电路中也可使用,如:

混频器,倍频器,振荡器,开关等.目前,广泛应用及有前景的元件主要有以下五种.

◢BJT双极结晶体管是普通三极管向射频与微波频段的开展。

使用最多的等效电路模型是Gummel-Poon模型，之后出现了VBIC模型，MEXTRAM模型和Philips模型。

VBIC模型是Gummel-Poon模型的开展伸；MEXTRAM模型零极点少，故比Philips模型收敛快。

◢MOSFET金属氧化物场效应管在2.5GHZ以下频段应用的越来越多。

双扩散金属氧化物半导体DMOS是CMOS晶体管向高频的开展,侧面双扩散金属氧化物半导体LDMOS器件是大功率微波放大器件。

SPICE给出了双极型CMOS的非线性模型Bi-CMOS,Bi-CMOS模型包括了同一硅片上的BJTs,N型MOSFET和P型MOSFET.模型。

◢MESFET金属半导体场效应管是在GaAs基片上上同时实现肖特基势垒结和欧姆接触。

这是一个受栅极电压控制的多数载流子器件。

这种器件的非线性模型MESFET/HEMT由几个著名器件和软件厂商给出，还在不断完善。

◢HEMT（PHEMT和MHEMT）高电子迁移率器件在很多场合下已经取代了MESFET器件。

1980年提出的这种器件，近几年来才有大量工程应用。

PHEMT是点阵匹配的伪HEMT器件，MHEMT是多层涂层构造的变形HEMT器件，MHEMT器件开展潜力较大。

◢HBT异质结双极结晶体管是为了提高GaAsBJT的发射效率于1965年提出，经历了漫长的开展工程，而1985年出现的SiGeBJT最大结温Tj,max仅为155℃呈现出良好的微波特性。

自1988年以来，微波半导体器件的性能得到了迅猛的开展，增益高，噪声低，频率高，输出功率大。

技术的进步，模型的完整使得PHEMT器件成为2GHz无线电系统的主力器件。

不断出现的新材料带来微波器件材料日新月异开展。

SiC和GaN的创造已经使得FET实现大高功率器件，N沟道MOSFET有望担纲60GHz器件。

低噪声微波放大器〔LNA〕已广泛应用于微波通信、GPS接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、测绘、电视及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要电路。

微波晶体管放大器还在向更高工作频率、低噪声、宽频带、集成化和标准化开展。

1.3本实验报告的主要研究容和容安排

本实验报告的将基于ADS仿真设计低噪声放大器，并优化电路构造，最终设计出符合各项指标基于ATF54143场效应管的低噪声放大器。

本文研究的主要容安排如下：

◢分析一般低噪声放大器的根本构造和各项根本指标，低噪声放大器的一般设计过程。

◢选择本文设计的低噪声放大器的晶体管，并初步设计低噪声放大器的匹配网络和偏置电路，稳定性的解决方法。

◢利用ADS软件仿真设计低噪声放大器，并完成电路图的设计。

二、低噪声放大器的原理分析与研究

2.1低噪声放大器的根本构造

低噪声放大器由输入匹配网络、微波晶体管放大器和输出匹配网络组成。

低噪声放大器根本构造构造图，如图2.1所示。

图2.1低噪声放大器的根本构造

输入匹配网络和输出匹配网络作为放大器的匹配电路，用于实现放大器的最正确源匹配和共轭匹配。

一般采用电感，电容或微带线来完成匹配电路。

晶体管是放大器的核心器件，所有的外部电路都是为了实现晶体管的更好的发挥功能，实现放大器的低噪声，适宜的增益和稳定性。

2.2低噪声放大器的根本指标

低噪声放大器的二端口网路的根本构造图，如图2.2所示。

图2.2二端口网络构造图

2.2.1噪声系数

噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即：

NF=〔2-1〕

对单级放大器而言，其噪声系数的计算为：

〔2-2〕

其中Fmin为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的，Γopt、Rn和Γs分别为获得Fmin时的最正确源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。

对多级放大器而言，其噪声系数的计算为：

NF=NF1+（NF-1）/G1+（NF-1）/G1G+……〔2-3〕

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=T0（NF–1）〔2-4〕

其中Te为放大器的噪声温度，T0=2900K，NF为放大器的噪声系数。

NF（dB）=10LgNF〔2-5〕

2.2.2增益

放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值：

G=Pout/Pin（2-6）

从（2-3）的计算公式中可见，提上下噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态围。

所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态围等结合起来考虑。

2.2.3输入输出驻波比

低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情况，我们在设计低噪声放大器的匹配电路时，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计为接近最正确噪声匹配网络而不是最正确功率匹配网络，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计，所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。

这种失配在某些情况下会使系统不稳定，一般情况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等其他措施来解决。

输入输出驻波比计算公式：

VSWR=（2-7）

2.2.3反射系数

放射系数是端口输入电压与输出电压的比值，表达公式为：

=（2-8）

当Γs=Γopt时，放大器的噪声系数最小，NF=NFmin，但此时从功率传输的角度来看，输入端是失配的，所以放大器的功率增益会降低，但有些时候为了获得最小噪声，适当的牺牲一些增益也低噪声放大器设计中经常采用的一种方法。

2.2.4放大器的动态围〔IIP3〕

在低噪声放大器的设计中，应充分考虑整个接收机的动态围，以免在接收机后级造成严重的非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点IIP3较高一点，至少比最大输入信号高30dB，以免大信号输入时产生非线性失真。

除以上各项外，低噪声放大器的工作频率、工作带宽及通带的增益平坦度等指标也很重要，设计时要认真考虑。

2.3低噪声放大器设计设计的根本原那么

2.3.1低噪声放大管的选择原那么

对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要高增益和低噪声以及足够的动态围，目前双极型低噪声管的工作频率可以到达几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在1分贝以下。

我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进展考虑：

1〕微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管的fT一般要比工作频率高4倍以上，现在PHEMT场效应管的噪声系数在2GHz可在0.5dB左右，工作频率高端可到达6GHz。

2〕微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态围,一般要求放大器工作增益大于10dB以上,当输入信号到达系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声，对于ZXPCS大基站工程由于最大输入信号小于-44dBm，考虑到放大器13dB左右增益，我们选取了ATF34143场效应管它的增益可达15dB，OIP3为30dBm左右。

2.3.2输入输出匹配电路的设计原那么

对于单级晶体管放大器的噪声系数，可以将表达式

（2-9）

化成一个圆的表达式，即等噪声系数圆。

圆上每一点代表一个能产生恒定噪声系数NF的源反射系数。

如要获得需要的噪声系数，只要在圆图上画出对应于这个噪声系数的圆，然后将源阻抗匹配到这个圆上的一个点就行了。

实际设计中由于要兼顾到放大器的增益，通常我们不取最小噪声系数。

在对放大器进展单项化设计时〔假定S12＝0〕，转移功率增益GT可以由如下公式表示：

GT=G0G1G2〔2-11〕

其中G0=，G1=，G2=，对于特定的晶体管S11、S22是确定的，不同的源反射系数Γ1和负载反射系数Γ2，可以构成恒定增益圆，设计时只须将源和负载反射系数分别匹配到相应的圆上，便能得到相应的增益。

将恒定增益圆与等噪声系数圆结合起来设计，便能得到比拟理想的结果。

另外设计中还要注意增益平坦设计主要是高端共轭匹配，低端校正，一般还需在多个中间频率上进展增益规定性校验，在高频应用时由于微波晶体管本身的增益一般随着频率的升高而降低，为了保证电路在低频率段的增益恒定和稳定性可以考虑在输入输出端采用高通匹配方式。

在以上的讨论中我们忽略了晶体管的反向传输系数，实际中微波场效应晶体管和双极性晶体管都存在部反应，微波管的S12就表示部反应量，它是电压波的反向传输系数。

S12越大，部反应越强，反应量到达一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚