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低噪声放大器设计报告
学生姓名:李江江学号:201221040234 单位:物理电子学院

技术指标:
频率: GHz~ GHz 噪声系数: 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
输入输出驻波比: 输入输出阻抗:50
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:


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
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=- 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。
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
图8 最终仿真结果
图9 稳定后的电路图
4 匹配设计
设计匹配网络的方法很多,有图解法,计算机辅助设计法等。ADS 提供了多种方便快捷的匹配网络设计工具,如无源电路的smith圆图、集总参数元件、、微带双枝节等多种智能元件,本文利用ADS的微带单枝节综合工具很清晰方便的实现自动匹配网络设计。利用ADS 所提供的这种智能元件进行阻抗匹配设计,最后自动生成子网络。
使用史密斯圆图工具经过调整后达到匹配。由于匹配电路的拓扑结构多样,应选择一种简单且便于实际工程设计的网络结构,本文采用由微带单枝节元件构成的网络,如下图所示为自动生成的一种匹配电路拓扑结构,从中可以观察其反射系数在工作频带的频率响应曲线,所生成的放大器输出子网络,可以直接添加或复制到原理图中。
图10 匹配电路拓扑结构
单级优化
GHz的频段上,输入输出驻波比小于2,增益在10dB到14dB之间,噪声系数nf(2),稳定系数Mu1大于1.(选取射频介质基板的参数为