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利用 ADS2005A 设计低噪声放大器 ------- ( 源自:http:/www.edajx.com )

低噪声放大器设计的依据和步骤: 满足规定的技术指标: 噪声系数(或噪声温度) ;功率增益;增益平坦度;工作频带;动态范围; 出为标准微带线,其特征阻抗均为 50□ 步骤: 放大器级数(为了便于设计和学习,我们选择一级) 晶体管选择 电路拓朴结构 电路初步设计 用 CAD 软件(如 ADS2005A)进行设计、优化、仿真模拟 一、 低噪声放大器的主要技术指标 1.LNA 的噪声系数和噪声温度 放大器的噪声系数 NF 可定义如下

输入、 输

NF =

Sin / N in S out / N out

式中,NF 为微波部件的噪声系数; Sin,Nin 分别为输入端的信号功率和噪声功率; Sout,Nout 分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是: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。 通常,噪声系数用分贝数表示,此时

NF ( dB ) = 10 lg( NF )
放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度 Te 来表达。噪声温度 Te 与噪声系数 NF 的关系是

Te = T0 ? ( NF ? 1)
式中,T0 为环境温度,通常取为 293K。 2.LNA 的功率增益、相关增益与增益平坦度 微波放大器功率增益有多种定义, 比如资用增益、 实际增益、 共扼增益、 单向化增益等。 对于实际的低噪音放大器,功率增益通常是指信源和负载都是 50Ω 标准阻抗情况下实 测的增益。 实际测量时,常用插入法,即用功率计先测信号源能给出的功率 P1;再把放大器接到 信源上,用同一功率计测放大器输出功率 P2,功率增益就是

G=

P2 P1

http://www.edajx.com 低噪声放大器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, 因 此增益 G 要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常,相关增益比最大增益 大概低 2-4dB。 功率增益的大小还会影响整机噪声系数,下面给出简化的多级放大器噪声系数表达式:

N f = N f1 +

N f 2 ?1 G1

+

N f 3 ?1 G1G2

+ ...

其中: N f -放大器整机噪声系数;

N f 1,N f 2,N f 3 -分别为第 1,2,3 级的噪声系数; G1,G2 -分别为第 1,2 级功率增益。从上面的讨论可以知道,当前级增益 G1 和 G2 足够
大的时候, 整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。 因此多级放大器第一级噪音系数大小起 决定作用。作为成品微波低噪音放大器的功率增益,一般是 20-50dB 范围。 增益平坦度是指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。 3.工作频带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音要满 足要求,并给出各频点的噪音系数。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。 4.动态范围是指低噪音放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的下 限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数 Nf 给定时,输入信号功率允许最小值是:

Pmin = N f (kT0 ?f m ) M
其中: ?f m -微波系统的通频带(例如中频放大器通频带); M- 微波系统允许的信号噪声比,或信号识别系数; T0- 环境温度,293K。 5.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。 6.稳定性 当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于 1(即

Γ1 < 1, Γ2 < 1 )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,而是有一定的范围,否则放 大器不能稳定工作。 定义:

suficient1 = 1 ? S11 ? S12 ? S 21
2

suficient 2 = 1 ? S 22 ? S12 ? S 21
2

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necessary =

1 ? S11 ? S 22 + S11 ? S 22 ? S12 ? S 21 2 S12 ? S 21

2

2

2

放大器在 гS 输入平面上绝对稳定的充分必要条件为

suficient1 > 0 necessary > 1

放大器在 гL 输入平面上绝对稳定的充分必要条件为

suficient 2 > 0 necessary > 1
二、 性能指标 Frequency SourceImpedance Gain Noisefactor Stablity 三、

2.0GHz 50Ohm >10d <2dB Unconditonal

晶体管选择 在进行设计之前,我从网上搜索和下载了很多 device 的 s2p 文件和 datasheet,在众 多的器件中选择一个合适的晶体管对后面的设计很重要, 因此在选择器件上我也花了很多时 间,力求能选得合适。 最后我采用了 NEC 的 2SC5507(NE661M04),它具有频率高、噪声低、低温性能好等优 点。2SC5507 提供的 Datasheet 提供了宽频段的 S 参数,ADS 设置中也选用 S 参数模型,因 为用 S 参数模型比较精确,而且各种资料也详细,比较方便。虽然在设计上我估计是能符 合性能指标的,不过这里我没有考虑晶体管的价格问题,所以有可能“杀鸡用牛刀”了,没有 充分发挥器件的性能,但是对于我们初学者,这个问题可以先不予考虑,主要是为了学习和 掌握设计的方法。 下面是 2SC5507 的 s2p 文件: /********************************************** ! NEC Compound Semiconductor Devices Ltd. ! 20. August 2002 ! NE661M04/2SC5507 ! NPN Silicon Transistor ! Vce = 2 V Ic = 5 mA # GHz S MA R 50 ! f S11 S21 S12 ! GHz MAG ANG MAG ANG MAG ANG 0.10 0.820 -4.7 10.440 173.8 0.000 80.8 0.20 0.820 -9.2 10.280 168.8 0.010 75.3 0.30 0.800 -13.8 10.090 164.2 0.010 75.0 0.40 0.790 -18.0 9.890 159.8 0.010 74.1 0.50 0.780 -22.4 9.730 155.6 0.020 72.2

MAG 0.970 0.940 0.920 0.900 0.880

S22 ANG -4.1 -7.1 -9.4 -11.5 -13.4

http://www.edajx.com 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 2.60 2.70 2.80 2.90 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 0.760 0.740 0.720 0.700 0.680 0.660 0.630 0.610 0.580 0.560 0.530 0.510 0.490 0.460 0.440 0.420 0.400 0.380 0.360 0.350 0.330 0.320 0.300 0.250 0.230 0.310 0.420 0.510 0.580 0.650 0.710 0.760 0.780 0.790 -26.6 -31.1 -35.3 -39.4 -43.6 -47.9 -51.9 -56.2 -60.3 -64.7 -68.9 -73.3 -77.6 -82.0 -86.7 -91.6 -96.5 -101.9 -107.6 -113.6 -120.2 -127.9 -137.3 -144.7 -142.4 175.3 147.1 130.2 116.8 106.9 99.0 92.8 89.2 84.8 9.550 9.360 9.190 9.010 8.820 8.670 8.460 8.270 8.070 7.910 7.720 7.540 7.350 7.180 7.000 6.830 6.660 6.490 6.320 6.160 6.000 5.820 5.590 5.290 5.220 4.230 3.500 2.940 2.520 2.160 1.850 1.570 1.360 1.160 151.5 147.4 143.5 139.6 135.8 132.0 128.6 124.8 121.5 117.9 114.5 111.3 108.2 105.0 102.0 98.9 95.9 92.9 90.0 87.0 84.1 80.9 77.9 76.3 76.0 62.3 41.8 25.6 9.8 -5.0 -19.3 -32.6 -44.5 -55.1 0.020 0.020 0.030 0.030 0.030 0.030 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.050 0.050 0.050 0.050 0.050 0.050 0.050 0.050 0.060 0.060 0.060 0.060 0.060 0.060 0.060 0.080 0.090 0.100 0.120 0.130 0.140 0.140 0.150 70.4 68.0 66.6 64.9 63.3 61.2 60.7 58.7 57.8 56.3 55.5 53.8 53.4 51.9 51.6 49.6 49.6 48.3 47.4 46.2 45.3 44.6 42.5 44.1 48.2 46.8 45.6 42.7 38.6 34.4 28.7 22.9 17.8 13.4 0.870 -15.4 0.850 -17.3 0.840 -18.9 0.820 -20.8 0.800 -22.4 0.780 -23.9 0.770 -25.5 0.750 -26.9 0.730 -28.4 0.720 -29.7 0.700 -31.0 0.690 -32.3 0.670 -33.6 0.650 -34.9 0.640 -36.1 0.620 -37.2 0.610 -38.2 0.600 -39.5 0.580 -40.5 0.570 -41.7 0.550 -42.7 0.530 -43.4 0.520 -43.8 0.520 -43.2 0.520 -44.8 0.440 -48.3 0.360 -70.4 0.310 -89.6 0.290 -115.3 0.310 -143.0 0.360 -168.2 0.440 172.1 0.530 158.5 0.600 149.8

!噪声系数参数表 ! f Fmin ! GHz dB 0.80 1.59 0.90 1.60 1.00 1.60 1.50 1.62 1.80 1.63

Gammaopt Rn/50 MAG ANG 0.380 10.7 0.43 0.380 11.9 0.43 0.380 13.2 0.43 0.360 20.5 0.41 0.340 25.7 0.38

-

http://www.edajx.com 1.90 2.00 2.50 1.63 1.63 1.65 0.330 0.320 0.260 27.5 29.4 40.1 0.38 0.37 0.32

/*************************************************************** 选好器件以后可以先利用 S 参数计算器 sparam 软件判断它的稳定性: 将 VDS=2V, ID=5mA.,f=2.0GHz 时的 S 参数输入窗口,如下:

由上可见,它不是绝对稳定的,需要进行稳定性设计。 四、ADS 仿真 先打开 ADS,新建一个项目 NECLNA。 确定支流偏置电路,为了使晶体管工作在放大区,需确定静态直流工作点。由 2SC5507 的 DataSheet 可以得到:VDS=2V, ID=5mA。 由于 K<1,根据上面 S 参数计算器得到的结果,它不是绝对稳定的,下面进行稳定性设 计。原理图的各个元件及仿真器的放置如下:

http://www.edajx.com K1: K=stab_fact(S), stab_fact(S)函数返回 Rollett 稳定因子。 K>1 时电路绝对稳定, 此时稳 定量 B1>1。 M1: Mu=mu(S), mu(S)函数返回负载的几何导出因子。Mu>1 时电路绝对稳定。 B1: B1=stab_meas(S) stab_meas(S)函数返回稳定量。 具体各个函数的功能及代表的详细意义可看 help 文件,那里有详尽的解释。 增加输出稳定性电路前的仿真结果如下:

由上图也可见 2.0GHz 以上频率的 Mu 没有满足都大于 1,在未增加输出稳定性电路前,晶 体管输出是不稳定的,因此需要对其进行稳定性设计,增加输出稳定性电路。 增加输出稳定性电路 在原图的基础上并联一个 RC 串联电路,也可以添加 LC 或 RL 电路,具体可以和输出 匹配电路同时考虑来设计。 电路图如下:

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这里 R1=5 Ohm , C1=2.0 pF 增加输出稳定性电路后仿真结果如下:

从 Mu 的值可以看出,增加输出稳定电路后,晶体管在 2GHz——3GHz 之间 Mu>1,可知系 统是绝对稳定的。 最佳噪声匹配 对于 LNA,如果输入口有一定的失配,反而可以调整器件内部各种噪声之间的相位关 系,从而降低噪声系数。 为了获得最小的噪声系数,Γs 有个最佳值 Γopt,此时 LNA 达到最小噪声系数,即达到 最佳噪声匹配状态。其中 Γopt 是最佳信源反射系数(微波晶体管等效噪声参数)

http://www.edajx.com 当匹配状态偏离最佳时,LNA 的噪声系数将增大。 Γopt 可以从器件的 Datasheet 或者 s2p 文件中获得 如果要进行噪声系数仿真,晶体管的 s2p 文件中必须要有噪声蚕俗话,否则无法进行噪 声分析。 Sopt:最小噪声的最优匹配系数。利用这个最优系数可以进行输入匹配电路的设计。 噪 声 系 数 仿 真 电 路 如 下 : 可 以 用 模 板 , 在 原 理 图 窗 口 点 击 NewDesign , 在 ( SchematicDesignTemplate(Optional)中选择 Sparams_wNoise 模板。将器件 s2p 模型置入)

仿真结果如下:

由图可见 Sopt=0.32/29.4(幅度和角度) 根据噪声最小设计输入匹配电路 输入匹配电路设计如下:

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输入反射系数 S[1,1]设置为 Sopt 的共轭,用来进行 50 欧姆匹配。 这里的 cong(C)函数为对负数 C 取共轭 polar((a,b)函数表示以 a 为模 b 为辐角设置一个复数。这里 Sopt 采用这种形式是为了计 算方便,最佳输入匹配系数由前面得到 优化得 C1=1.73pF L1=5.79nH 匹配结果如下:

书上这个步骤是用参数扫描器对电感电容进行扫描, 以便从所有这些值中得出最佳的结

http://www.edajx.com 果。 这里我没有和书本上的方法一样进行电路匹配设计, 我的方法跟设计低通滤波器时一样, 先估计一个初值,然后利用 ADS 的 Tune 进行优化,这种方法简单且精确,具体优化方法可 以参看我的用 ADS 设计低通滤波器时优化微带线尺寸时的步骤。回到电路图的窗口,点击 ,进行协调修正优化,然后在下面的窗口中选择修正的参数并进行修正。 界面如下:

至此,按照噪声系数最小原则设计的输入阻抗匹配完成了。 根据功率增益最大设计输出匹配电路 根据最大功率增益原则设计输出匹配电路,就是将输出端进行 50 欧姆匹配。考虑到输出稳 定性电路的存在对输出阻抗的影响,输出匹配电路的形式有点不同。 和输入阻抗匹配方法一样设计输出匹配电路 电路图如下:

优化得 L2=3.651nH L4=4.028nH 匹配结果如下:

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至此,输入输出匹配电路完成。 LNA 的交流等效电路如下:

仿真结果如下:

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增益:16.917dB 噪声系数:1.649 结果分析 由最后的仿真结果看到增益:16.917dB,噪声系数:1.649,均符合设计初的性能指标, 比较理想,但工作频段较小,这也正常,因为在宽频带情况下难于获得极低噪音,所以低噪 声放大器的工作频带一般不大宽,较多为 20%左右。 五、体会 在整个设计过程中,我感觉选择器件是很重要的,一开始我随便选了一个晶体管,然后 按照书上的过程设计,结果实现不了指标。在参看了很多器件的 Datasheet 和 s2p 文件后, 对器件的性能有了明确的认识, 然后设计时就容易的多了, 稳定性电路和输入输出匹配电路 的设计也变得容易了。还有一点,设计匹配电路也是一个相对比较重要和麻烦的过程,需要 一定的耐心和时间。 四、