低噪声放大器的设计-射频课程设计

射频设计报告

低噪声放大器的设计

目 录

1 前言 ................................................................................................................... 1 2 低噪声放大器的主要技术指标 ....................................................................... 1

2.1 工作频率与带宽 .................................................................................... 1 2.2 噪声系数 ................................................................................................ 2 2.3 增益 ........................................................................................................ 2 2.4 放大器的稳定性 .................................................................................... 3 2.5 输入阻抗匹配 ........................................................................................ 3 2.6 端口驻波比和反射损耗 ........................................................................ 3 3 低噪声放大器的设计指标 ............................................................................... 4 4 设计方案 ........................................................................................................... 5

4.1 直流分析及偏置电路的设计 ................................................................ 5 4.2 稳定性分析 ............................................................................................ 7 4.3 匹配网络设计 ........................................................................................ 9 4.4 最大增益的输出匹配 .......................................................................... 12 4.5 匹配网络的实现 .................................................................................. 16 4.6 版图的设计 .......................................................................................... 17 5. 学习心得 ........................................................................................................ 23 参考文献.............................................................................................................. 24

1 前言

低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)是射频接收机前端的重要组成部分。它的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，足够高的增益克服后续各级(如混频器)的噪声，并尽可能少地降低附加噪声的干扰，以供系统解调处所需要的信息。LNA一般通过传输线直接和天线或天线滤波器相连，由于处于接收机的最前端，其抑制噪声的能力直接关系到整个接收系统的性能。因此LNA的指标越来越严格，不仅要求有足够小的低噪声系数，还要求足够高的功率增益，较宽的带宽，在接收带宽内功率增益平坦度好。该设计利用微波设计领域的ADS软件，结合低噪声放大器设计理论，利用S参数设计出结构简单紧凑，性能指标好的低噪声放大器。

低噪声放大器， 它的噪声系数很低。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。

安捷伦公司的ATF54143是一种增强型伪高电子迁移率晶体管( E-pHEMT) , 不需要负栅极电压, 与耗尽型管相比较, 可以简化排版而且减少零件数, 该晶体管最显著的特点是低噪声, 并具有高增益、高线性度等特性, 他特别适用于工作频率范围在450MHz~6GHz 之间的蜂窝/ PCS/ WCDMA基站、无线本地环路、固定无线接入和其他高性能应用中的第一阶和第二阶前端低噪声放大器电路中。

2 低噪声放大器的主要技术指标

2.1 工作频率与带宽

放大器所能允许的工作频率与晶体管的特征频率Ft有关，由晶体管小信号

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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。

2.2 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Ps/Pn(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Psi/Pni 与输出端信号噪声功率比Pso/Pno 得比值。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。影响放大器噪声系数的因素有很多，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，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

NF?Sin/NinSout/Nout

2.3 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(operating power gain) 、转换功率增益GT(transducer power gain)、资用功率增益GA（available power gain）。

低噪声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

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差，即△G(dB)表示。

2.4 放大器的稳定性

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Γ0>1，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Γ0>1，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Γin<1, Γout<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。

2.5 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。

2.6 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。

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3 低噪声放大器的设计指标

下面提出所设计的宽带低噪声放大器需要考虑的指标：

(1)工作频带：2.4～2.5 GHz。工作频带仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要在全频带内使噪声系数满足要求。

(2)噪声系数：FN< 0.7 dB。FN表示输入信噪比与输出信噪比的比值，在理想情况下放大器不引入噪声，输入/输出信噪比相等，FN=O dB。较低的FN可以通过输入匹配到最佳噪声匹配点和调整晶体管的静态工作点获得。由于是宽带放大器，难以获得较低的噪声系数，这就决定了系统的噪声系数会比较高。

(3)增益:13dB。LNA应该有足够高的增益，这样可以抑制后面各级对系统噪声系数的影响，但其增益不宜太大;避免后面的混频器产生非线性失真。

(4)增益平坦度为O.2 dB。指工作频带内增益的起伏，低噪放大器应该保持一个较为平坦的增益水平。由于是宽带放大器，使得增益平坦度比较小，应该在高频段匹配电路，使频带低端失配，从而改善放大器的增益平坦度。

(5) 驻波比：输入驻波比和输出驻波比不超过1.5。

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4 设计方案

4.1 直流分析及偏置电路的设计

设计LAN的第一部是确定晶体管的直流工作点。在ADS中设计直流偏置电路，执行菜单命令File-New Design，在打开的对话框中的Schematic Dsign Temple中选择DC_FET_T。再在原理图中放置元件ATF54143，并将两者用导线连接。ATF54143直流偏置如图4-1所示

图4-1 ATF54143直流偏置电路

再设置直流偏置电路的空间参数。在ATF54143的datasheet中，如图4-2所

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可以看到ATF541423的Vgs为0.4-0.7V。

图4-2 ATF54143电气性能最大限值

ATF54143直流偏置的仿真结果如图4-3所示。

图4-3 ATF54143支流特性图

从ATF54143的数据手册上可以看出噪声和Vgs和Igs的关系如图4-4所示，从而确定晶体管工作点。

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图 4-4 ATF54143 直流偏置曲线

然后新建一个原理图，在该原理图中放置ATF54143和偏执晶体管控件，如图4-5所示。

图4-5 偏置电路原理图

4.2 稳定性分析

放大器稳定性的判定条件如下：

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1?S11?S22?DK??12S11S22S11?1?S12S21S22?1?S12S2122222 (1)

(2) (3)

其中D?S11S22?S12S21 。K称为稳定性判别系数，K>1是稳定状态。只有当3个条件都满足时，才能保证放大器是觉得稳定的。

新建原理图，添加各种元器件并设置相应参数后，原理图如图4-6所示

图4-6 加入直流扼流和射频扼流的原理图

另外，放大器的直流和交流通路之间要添加射频扼流电路，它实质上是一个无源低通电路，式直流偏执信号（低频信号）能传输到晶体管引脚，而晶体管的射频信号（频率很高，在本设计中是2,4GHz的传输信号不要进入直流通路），实际上一般是一个电感，有时也会加一个旁路电容接地，在这里用扼流电感代替。同时，直流偏置信号不能传到两端端口，需要加隔直电容。通过仿真，我们可以得到最大增益和稳定系数K与频率的关系，如图4-7所示。

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图4-7 最大增益和稳定系数K与频率的曲线

4.3 匹配网络设计

匹配网络的设计。在增益15dB 的圆上选取尽量靠近最小噪声点的源反射系数作为输入匹配点，这样就获得了最佳噪声系数匹配条件，使放大器满足低噪声的要求的同时又能实现足够的增益。

图4-8 Smith圆图

图4-8显示出m4是LAN有最大增益时的输入端阻抗，此时可获得增益约为16dB，m5是LAN有最小噪声系数时的输入端阻抗，此时可获得最小噪声指数为0.428dB。但是这两点并不重合，设计师必须在增益和噪声指数之间做一个权衡和综合考虑。

经过简单计算得到Γout=0.4973∠-20.2254 ， 输出端取共轭匹配， 即ΓL=Γout*=0.4973∠20.2254，接下来开始进行输入输出匹配网络的设计。

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，如无源电路的集总参数元件、微带单枝节、

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微带双枝节等多种智能元件，本文利用ADS 的smith 圆图综合工具很清晰方便的实现自动匹配网络设计。其方法是在元件面板列表选择实用Simth 圆图工具Smith Chart Matching，然后在工具菜单栏中选择Smith Chart Utility 工具，输入负载反射系数后，就可以利用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。

图4-9 输入输出匹配框图

添加Smith圆图匹配工具DA_SmithCHartMatch，最终原理图如图4-10所示。

图4-10 加入Smith圆图匹配工具的原理图

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图4-11 Smith CHart Utility中微带线匹配

图4-12 匹配子电路

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输出匹配网络的设计采用S 参数优化方法，S 参数设计法是将晶体管看做是一个黑盒子，只知道它的端口参数，是从系统或者网络的角度出发来设计放大器。首先设定匹配网络的集总器件为优化变量，优化的目标为噪声系数、增益、输入驻波比、输出驻波比等，给上述原理图增加优化仿真器OPTIM 和优化目标控件GOAL。注意在OPTIM 中设定仿真变量，并将设计目标值作为仿真目标，优化仿真变量设计参数，然后选择适合的优化方式，常用的主要是Random（随机法）和Gradient（梯度法），随机法通常用于大范围搜索时使用，梯度法则用于局域收敛，不同方法有不同的元件变量渐进方式，应根据收敛速度和误差函数公式进行选择。最后选择迭代次数后进行优化仿真，通过不断对优化变量的调整，得到满足稳定性、噪声系数和增益等目标的电路，实际在进行分析的时候，还需要根据具体情况及有关理论加入一些有助于提高电路性能的细节。

4.4 最大增益的输出匹配

在原理图中添加Zin控件，并改为输出阻抗，如图4-13所示

图4-13 加入Zin控件并改为输出阻抗

在数据显示窗口中单击示。图4-15所示为显示的曲线。

图标，选择Zin2的实部和虚部，如图4-14所

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图4-14 在数据窗口中打开Zin控件

图4-15 输出阻抗的曲线

从图中可以看出，输出阻抗为57.134-j37.291Ohm（即S22）。为了达到最大增益，输出匹配电路需要把50Ohm匹配到Zin2的共轭，如图4-16所示。

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图4-16 输出输出匹配框图

使用DA_SmithCHartMatch工具来做输出端匹配电路，如图4-17所示。

图4-17 用DA_SmithCHartMatch工具来做输出匹配

双击DA_SmithCHartMatch控件，在弹出的Smith Char Marching Network对话框中设置相关参数如图4-18所示。

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图4-18 设置Smith Char Marching参数

在执行菜单命令Designguide——amplifjier，在弹出的对话框中选择Smith chart ulility。在

Smith chart ulility

窗口中单击

。如图4-19所示。

图4-19 加了输出阻抗的smith chart ulility

然后单击

按钮，生成电路。在原理图中开始仿真，其结

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果如图4-20所示。

图4-20 输入输出电路完成后的仿真结果

4.5 匹配网络的实现

前面用到的都是理想微带线，器参数只有特性阻抗、电长度和频率，接下来需要把它转换成实际的表明物理长宽的微带线。表4-1列出了四段匹配微带线的电长度和用LinCale工具计算出的物理长度。所有微带线的特征阻抗都是50Ohm。

表4-1 微带线的电长度和物理长度

返回原理图，把所有的理想微带线全换成表4-1中的实际物理长度，原理图如图4-21所示。

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图4-21 把所有的理想微带线换成实际物理长度的原理图

运行仿真，结果如图4-22所示。

图4-22 S参数仿真结果

4.6 版图的设计

在原理图设计时，低噪声放大器电路的分离电容和分离电感采用的是Murata公司提供的库，在layout界面里同样可以看到这个Murata库，这里面就不再是电容电感的电路符号，而是封装图，如图4-23所示。

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图4-23 Murata自带封装

对于电阻，可以使用ADS库里自带的分立器件的封装，也可以自己绘制，Avago公司提供的ATF54143晶体管也没有提供ADS软件使用的layout封装，，接下来将介绍如何绘制ATF54143版图。

查询ATF54143的数据手册可知，ATF54143为表面安装器件，具体形状如图4-24所示。

图4-24 ATF54143表面安装器件外形图

ATF54143封装的外形尺寸如图4-25所示。

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图4-25 ATF54143封装的外形尺寸

接下来介绍版图的绘制过程。

（1）在ADS里新建layout，命名为ATF54143_Pad_layout。

（2）在layout的cond层中绘制如图4-24所示的焊盘，其结果如图2-26所示。

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图4-26 ATF54143 cond层的焊盘

（3）在lead层中绘制和如图4-26一样的矩形，如图4-27所示。

图4-27 ATF54143 lead层

（4）在package层中绘制ATF54143的表面装配的封装，如图4-28所示。

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图4-28 ATF54143版图

（5）设置ATF54143的栅极，源极和漏极，最终晶体管版图如图4-29所示。

图4-29 ATF54143版图

（6）执行菜单命令schematic—generate/upgrade，生成原理图并将整个文件保存。

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（7）打开低噪声放大电路的原理图，在原理图窗口单击鼠标右键，从弹出的菜单中选择component—edit component artwork命令，弹出component artwork对话框，在artwork type下拉列表中选择fixed选项，在artwork name中选择刚才创建的ATF54143的封装版图文件，如图4-30所示。

图4-30 导入ATF54143封装版图

（8）按同样步骤将分立的电阻版图导入进来。绘制的分立电阻版图如图4-31所示。

图4-31 分立电阻版图

（9）最终形成的版图如图4-32所示。

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图4-32 低噪声放大器电路版图

5. 学习心得

这学期通过对《射频电路设计》这门课程的学习，我掌握了传输线分析，Smith原图，阻抗匹配，射频晶体管放大器设计等多个知识。再加上为时一个多星期的射频电路课程设计——低噪声放大器的设计，让我对《射频电路设计》这门课有了比较全面的了解，而且更加熟悉了ADS软件的使用。

经过一个多星期的努力,我终于完成了低噪声放大器的设计。经过本次课程

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设计，我们收获了很多。从设计、仿真电路，到画版图，我不仅学会了怎样系统设计放大器，而且也熟悉了ADS软件的使用和学会用ADS设计版图，这使我们学到很多课堂上学不到的东西，也加深了对理论知识的理解。

最后，还要诚挚地感谢胡老师和张老师的辛勤教导。

参考文献

[1]徐兴福，ADS2008射频电子设计与仿真实例，北京：电子工业出版社，2009. [2]Reinhold Ludwig(著) 张肇仪等译. 射频电路设计—理论与应用. 北京: 电子工业出版社，2010.

[3]胡柳林.2.45GHz CMOS低噪声放大器设计与仿真[D].哈尔滨工业大学，2006

[4] 张志华.2.4GHz微波低噪声放大器设计[D].杭州电子科技大学，2012 [5] Ian Piper,Al Ward.Design An E-pHEMT 4.9-to-6.0-GHz LNA. . 2005

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设计，我们收获了很多。从设计、仿真电路，到画版图，我不仅学会了怎样系统设计放大器，而且也熟悉了ADS软件的使用和学会用ADS设计版图，这使我们学到很多课堂上学不到的东西，也加深了对理论知识的理解。

最后，还要诚挚地感谢胡老师和张老师的辛勤教导。

参考文献

[1]徐兴福，ADS2008射频电子设计与仿真实例，北京：电子工业出版社，2009. [2]Reinhold Ludwig(著) 张肇仪等译. 射频电路设计—理论与应用. 北京: 电子工业出版社，2010.

[3]胡柳林.2.45GHz CMOS低噪声放大器设计与仿真[D].哈尔滨工业大学，2006

[4] 张志华.2.4GHz微波低噪声放大器设计[D].杭州电子科技大学，2012 [5] Ian Piper,Al Ward.Design An E-pHEMT 4.9-to-6.0-GHz LNA. . 2005

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ldv6.html