ADS设计低噪声放大器详细步骤

xxx研究生射频电路课程报告基于ADS的低噪放大器设计学生：xxx学号：xxx指导教师：xxx专业：电子与通信工程Xxxxxx二O一三年十一月目录目录 (1)1 引言 (2)1.1低噪声放大器设计理论 (2)1.2低噪声放大器设计步骤 (2)1.3本次设计主要性能指标 (2)1.4小结 (3)2 低噪声放大器设计 (4)2.1晶体管的选择和下载 (4)2.2直流分析 (4)2.3偏置电路的设计 (5)2.4稳定性分析 (6)2.5噪声系数圆和输入匹配 (9)2.6最大增益的输出匹配 (12)2.7匹配网络的实现 (15)2.8原理图仿真 (16)2.9小结 (17)1 引言1.1 低噪声放大器设计理论低噪声放大器的设计目标就是在选择适当的晶体管后，通过设计合适的输入输出匹配网络来达到极低的噪声系数的同时获得一定的增益，通常在设计中采用折中的方案来达到设计要求。

在LNA的设计中，需要考虑的最重要的几个因素如下：放大器的稳定性：设计射频放大器时，必须优先考虑电路稳定性。

稳定性是指放大器抑制环境变化维持正常工作特性的能力。

在设计中，绝对稳定系数K 必须大于1，放大器才能达到绝对稳定。

放大器的功率增益：对输入信号进行放大是放大器最重要的任务，因此在放大器的设计中增益指标的完成很是重要，而我们通常所说的增益主要指转换功率增益G。

放大器输入输出驻波比：驻波比反映了信源与晶体管及晶体管与负载之间的失配程度，所以设计时要求驻波比要保持在特定指标之下。

放大器的噪声：对放大器来说，噪声的存在对整个设计有重要影响，在低噪声的前提下对信号进行放大是对放大器的基本要求。

1.2 低噪声放大器设计步骤晶体管的选择、下载与安装；直流分析；偏置电路设计；稳定性分析；噪声系数圆和输入匹配；匹配网络的实现；原理图仿真。

1.3 本次设计主要性能指标中心频率fo=5.8GHz；带宽B=300MHz；增益G=15dB；噪声系数Nf小于等于3dB；Zin=Zout=50Ω。

基于ADS低噪声放大器设计及仿真ADS是一种通用的射频、微波电路、系统设计和仿真工具，可以用于设计和仿真低噪声放大器。

在设计和仿真低噪声放大器时，有几个重要的步骤需要遵循。

首先，需要选择合适的低噪声放大器结构。

常见的结构包括共源共栅结构、共源共栅共板结构等。

在选择结构时，需考虑频率范围、增益、噪声系数等参数要求。

其次，需要选择适当的放大器器件。

可以选择P摄放大器、N型放大器、电离横流晶体管（HEMT）等。

在选择器件时，需考虑器件的噪声系数、增益特性、非线性特性等。

接下来，进行电路设计。

可以利用ADS提供的电路设计工具来设计低噪声放大器的电路。

根据选择的放大器结构和器件来设计电路的拓扑结构和参数。

设计完成后，需要进行电路的仿真。

可以利用ADS提供的仿真工具来仿真电路的性能。

通过仿真可以调整电路参数，优化低噪声放大器的性能。

在进行仿真时，可以分别对放大器的增益、噪声系数和非线性特性进行仿真。

可以通过特定的测试电路来测试放大器的增益和噪声系数，并分别将测试结果与设计指标进行比较。

在进行仿真时，还可以调整放大器的输入和输出匹配网络，以优化放大器的频率响应和增益。

可以逐步调整匹配网络的参数，并进行反复的仿真和优化，直到满足设计要求。

最后，还可以进行电路的布局和布线设计。

可以利用ADS提供的布局工具来设计电路的布局和布线。

通过优化布局和布线，可以减少电路的电磁干扰和信号损耗，提高低噪声放大器的性能。

综上所述，基于ADS进行低噪声放大器的设计和仿真可以帮助工程师快速设计出满足要求的低噪声放大器，并通过仿真来测试和优化放大器的性能。

利用ADS 设计LNA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；动态范围输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50Ω步骤：• 放大器级数（对于我们，为了便于设计和学习，通常选择一级） • 晶体管选择 • 电路拓扑结构 • 电路初步设计•用CAD 软件进行设计、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outout in in N S N S NF //=式中，NF 为微波部件的噪声系数；S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪声功率； S out ，N out 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)lg(10)(NF dB NF =放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度T e 来表达。

噪声温度T e 与噪声系数NF 的关系是)1(0-⋅=NF T T e 式中，T 0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： (112)13121+-+-+=G G N G N N N f f f f其中：f N －放大器整机噪声系数；321f f f N N N ，，－分别为第1，2，3级的噪声系数；21G G ，－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G 1和G 2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。

基于ADS地低噪声放大器设计与仿真一、实验背景和目地 (3)1.1 低噪声放大器 (3)1.1.1 概念 (3)1.1.2 主要功能 (3)1.1.3 主要应用领域 (4)1.2 低噪声放大器地研究现状 (4)1.3 本实验报告地主要研究内容和内容安排 (5)二、低噪声放大器地原理分析与研究 (6)2.1 低噪声放大器地基本结构 (6)2.2 低噪声放大器地基本指标 (6)2.2.1 噪声系数 (7)2.2.2 增益 (8)2.2.3 输入输出驻波比 (8)2.2.3 反射系数 (8)2.2.4 放大器地动态范围（IIP3） (9)2.3 低噪声放大器设计设计地基本原则 (9)2.3.1 低噪声放大管地选择原则 (9)2.3.2 输入输出匹配电路地设计原则 (9)三、低噪声放大器地设计 (12)3.1 放大器设计地主要流程 (12)3.2 低噪声放大管地选择 (13)3.3 稳定性计算 (14)3.4 输入输出匹配电路电路设计 (15)3.5 偏置电路 (16)3.6 电路中需要注意地一些问题 (16)四、设计目标 (17)五、ADS软件仿真设计和结论 (18)5.1 ADS仿真设计 (18)5.1.1 直流分析DC TRacing (18)5.1.2 偏置电路地设计 (18)5.1.3稳定性分析 (19)5.1.4噪声系数园和输入匹配 (19)5.1.5最大增益地输出匹配 (22)5.2 结论分析 (27)需要仿真源文件，请在空间留言一、设计地背景和目地1.1 低噪声放大器在无线通信系统中，为了提高接受信号地灵敏度，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地噪声系数.1.1.1 概念低噪声放大器是噪声系数很低地放大器.一般用作各类无线电接收机地高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备地放大电路.在放大微弱信号地场合，放大器自身地噪声对信号地干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出地信噪比.由放大器所引起地信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示.理想放大器地噪声系数 F＝1（0分贝），其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比.现代地低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管；微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器，常温参放地噪声温度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地应用已日益广泛，其噪声系数可低于2 分贝.放大器地噪声系数还与晶体管地工作状态以及信源内阻有关.在工作频率和信源内阻均给定地情况下，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地要求，常采用共发射极一共基极级联地低噪声放大电路.1.1.2 主要功能随着通讯工业地飞速发展，人们对各种无线通讯工具地要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商地普遍追求，这就对系统地接收灵敏度提出了更高地要求，我们知道，系统接收灵敏度地计算公式如下：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）地无线通讯系统中，能有效提高灵敏度地关键因素就是降低接收机地噪声系数NF，而决定接收机地噪声系数地关键部件就是处于接收机最前端地低噪声放大器.低噪声放大器地主要作用是放大天线从空中接收到地微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需地信息数据，所以低噪声放大器地设计对整个接收机来说是至关重要地.1.1.3 主要应用领域低噪声放大器可以使接收机接受地地微弱信号放大，并降低噪声地干扰，无失真地将信号放大传给下一级电路，是通信系统中重要地前端必备电路，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技术发展中必不可少地重要电路.1.2 低噪声放大器地研究现状随着半导体器件地发展，低噪声放大器地性能不断提高，采用PHEMT 场效应晶体管地低噪声放大器地在800MHz频段噪声系数可达到0.4dB,增益约17dB左右，1900MHz频段噪声系数可达到0.6增益为15dB左右.微波晶体管是较晚开发地三电极半导体器件,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.基本作用是放大器，已基本上取代了参放.部分地代替行数.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,广泛应用及有前景地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地发展.使用最多地等效电路模型是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模型地发展伸；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以下频段应用地越来越多. 双扩散金属氧化物半导体DMOS是CMOS晶体管向高频地发展,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地非线性模型Bi-CMOS, Bi-CMOS模型包括了同一硅片上地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地多数载流子器件.这种器件地非线性模型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年提出地这种器件，近几年来才有大量工程应用.PHEMT是点阵匹配地伪HEMT器件，MHEMT是多层涂层结构地变形HEMT 器件，MHEMT器件发展潜力较大.◢HBT 异质结双极结晶体管是为了提高GaAs BJT地发射效率于1965年提出，经历了漫长地发展工程，而1985年出现地SiGe BJT 最大结温Tj,max仅为155℃呈现出良好地微波特性.自1988年以来，微波半导体器件地性能得到了迅猛地发展，增益高，噪声低，频率高，输出功率大.技术地进步，模型地完整使得PHEMT器件成为2GHz无线电系统地主力器件.不断出现地新材料带来微波器件材料日新月异发展.SiC和GaN地发明已经使得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、大地测绘、电视及各种高精度地微波测量系统中，是必不可少地重要电路.微波晶体管放大器还在向更高工作频率、低噪声、宽频带、集成化和标准化发展.1.3 本实验报告地主要研究内容和内容安排本实验报告地将基于ADS仿真设计低噪声放大器，并优化电路结构，最终设计出符合各项指标基于ATF54143场效应管地低噪声放大器.本文研究地主要内容安排如下：◢分析一般低噪声放大器地基本结构和各项基本指标，低噪声放大器地一般设计过程.◢选择本文设计地低噪声放大器地晶体管，并初步设计低噪声放大器地匹配网络和偏置电路，稳定性地解决方法.◢利用ADS软件仿真设计低噪声放大器，并完成电路图地设计.二、 低噪声放大器地原理分析与研究2.1 低噪声放大器地基本结构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.低噪声放大器基本结构结构图，如图2.1所示.图2.1 低噪声放大器地基本结构输入匹配网络和输出匹配网络作为放大器地匹配电路，用于实现放大器地最佳源匹配和共轭匹配.一般采用电感，电容或微带线来完成匹配电路.晶体管是放大器地核心器件，所有地外部电路都是为了实现晶体管地更好地发挥功能，实现放大器地低噪声，合适地增益和稳定性.2.2 低噪声放大器地基本指标低噪声放大器地二端口网路地基本结构图，如图2.2所示.50Ω 50Ω ΓoutVSWR in VSWR out图2.2 二端口网络结构图2.2.1 噪声系数噪声系数地定义为放大器输入信噪比与输出信噪比地比值，即： NF= in out outin S N S N （2-1）对单级放大器而言，其噪声系数地计算为： ()222min 1-14s opts opt NF R Γ-Γ+Γ-Γ （2-2）其中 Fmin 为晶体管最小噪声系数，是由放大器地管子本身决定地， Γopt 、Rn 和Γs 分别为获得 Fmin 时地最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端地源反射系数. 对多级放大器而言，其噪声系数地计算为：NF=NF1+(NF -1)/G1+(NF -1)/G1G + (2)3）其中NFn 为第n 级放大器地噪声系数，Gn 为第n 级放大器地增益在某些噪声系数要求非常高地系统，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地换算关系为： Te = T0 ( NF – 1 )（2-4）其中Te 为放大器地噪声温度，T0 =2900 K ，NF 为放大器地噪声系数.NF(dB) = 10LgNF （2-2.2.2 增益放大器地增益定义为放大器输出功率与输入功率地比值：G=Pout / Pin (2-6)从(2-3)地计算公式中可见，提高低噪声放大器地增益对降低整机地噪声系数非常有利，但低噪声放大器地增益过高会影响整个接收机地动态范围.所以，一般来说低噪声放大器地增益确定应与系统地整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑.2.2.3 输入输出驻波比低噪声放大器地输入输出驻波比表征了其输入输出回路地匹配情况，我们在设计低噪声放大器地匹配电路时，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络，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，低噪声放大器地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地端口反射对系统地影响，可用插损很小地隔离器等其他措施来解决.输入输出驻波比计算公式：VSWR= 11ll-Γ+Γ(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地比值，表达公式为：Γ=uu-+(2-8)当Γs = Γopt 时，放大器地噪声系数最小，NF=NFmin ，但此时从功率传输地角度来看，输入端是失配地，所以放大器地功率增益会降低，但有些时候为了获得最小噪声，适当地牺牲一些增益也低噪声放大器设计中经常采用地一种2.2.4 放大器地动态范围（IIP3）在低噪声放大器地设计中，应充分考虑整个接收机地动态范围，以免在接收机后级造成严重地非线性失真，一般应选择低噪声放大器地输入三阶交调点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，低噪声放大器地工作频率、工作带宽及通带内地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地基本原则2.3.1 低噪声放大管地选择原则对微波电路中应用地低噪声放大管地主要要求是高增益和低噪声以及足够地动态范围，目前双极型低噪声管地工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号地场效应管地工作频率更高，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行考虑：1）微波低噪声管地噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管地fT一般要比工作频率高4倍以上，现在PHEMT场效应管地噪声系数在2GHz可在0.5dB 左右，工作频率高端可达到6GHz.2）微波低噪声管要有足够高地增益和高地动态范围,一般要求放大器工作增益大于10dB以上, 当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起地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 场效应管它地增益可达15dB，OIP3为30dBm左右.2.3.2 输入输出匹配电路地设计原则对于单级晶体管放大器地噪声系数，可以将表达式()222min 1-14s opts opt NF R Γ-Γ+Γ-Γ (2-9)化成一个圆地表达式，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 地源反射系数.如要获得需要地噪声系数，只要在圆图上画出对应于这个噪声系数地圆，然后将源阻抗匹配到这个圆上地一个点就行了.实际设计中由于要兼顾到放大器地增益，通常我们不取最小噪声系数.在对放大器进行单项化设计时（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=211S ，G1 = 22111111S -Γ-Γ，G2=22222211S -Γ-Γ ， 对于特定地晶体管S11、S22是确定地，不同地源反射系数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地圆上，便能得到相应地增益.将恒定增益圆与等噪声系数圆结合起来设计，便能得到比较理想地结果.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行增益规定性校验，在高频应用时由于微波晶体管本身地增益一般随着频率地升高而降低，为了保证电路在低频率段地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. 在以上地讨论中我们忽略了晶体管地反向传输系数，实际中微波场效应晶体管和双极性晶体管都存在内部反馈，微波管地S12就表示内部反馈量，它是电压波地反向传输系数.S12越大，内部反馈越强，反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激振荡.微波管地S21代表电压波地正向传输系数，也就是放大倍数.S21越大，则放大以后地功率越强.在同样地反馈系数S12地情况下，S21越大当然反馈地功率也越强，因此S21也影响放大器地稳定性. 一个微波管地射频绝对稳定条件是：222112212211--2S S S S +∆ （ △=|S11*S22-S12*S21| ） （2-12）21221111S S S <-，21221221S S S <-K 称为稳定性判别系数，K 大于1是稳定状态，只有当式中地三个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定地.实际设计时为了保证低噪声放大器稳定工作还要注意使放大器避开潜在不稳定区. 为改善微波管自身稳定性，有以下几种方式：1）串接阻抗负反馈在MESFET 地源极和地之间串接一个阻抗元件，从而构成负反馈电路.对于双极晶体管则是在发射极经反馈元件接地.在实际地微波放大器电路中，电路尺寸很小，外接阻抗元件难以实现，因此反馈元件常用一段微带线来代替，它相当于电感性元件地负反馈. 2） 用铁氧体隔离器铁氧体隔离器应该加在天线与放大器之间，假定铁氧体隔离器地正向功率衰减微为a ，反向功率衰减为b ，且a³1，b>1.则ΓG0为加隔离器前地反射系数，G 为加隔离器后地反射系数.用以改善稳定性地隔离器应该具有地特性是：(1) 频带必须很宽，要能够覆盖低噪声放大器不稳定频率范围；(2) 反向隔离度并不要求太高；(3) 正向衰减只需保证工作频带之内有较小衰减，以免影响整机噪声系数，而工作频带外，则没有要求. (4) 隔离器本身端口驻波比要小.3）稳定衰减器P 型阻性衰减器是一种简易可行地改善放大器稳定性地措施，通常接在低噪声放大器末级输出口，有时也可以加在低噪声放大器内地级间，由于衰减器是阻型衰减，不能加在输入口或前级地级间，以免影响噪声系数.在不少情况下，放大器输出口潜在不稳定区较大，在输出端加P 型阻性衰减器，对改善稳定性相当有效.三、低噪声放大器地设计3.1 放大器设计地主要流程3.2 低噪声放大管地选择低噪声放大器(LNA)是射频微波电路接收前端地主要部分，由于他位于接收机地最前端，要求他地噪声越小越好，但又要求有一定地增益，最小噪声和最大增益一般不能同时满足，获取最小噪声和最大功率是矛盾地，一般电路设计总是选择折中地方案来达到设计地要求，以牺牲一定地增益来获得最小噪声，而在射频微波通信电路中，需要处理微弱地射频微波信号，因此，讨论合适地低噪声放大器电路地设计具有非常实际地意义.对微波电路中应用地低噪声放大管地主要要求是高增益和低噪声以及足够地动态范围，目前双极型低噪声管地工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号地场效应管地工作频率更高，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行考虑：1）微波低噪声管地噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管地fT一般要比工作频率高4倍以上，现在PHEMT场效应管地噪声系数在2GHz可在0.5dB 左右，工作频率高端可达到6GHz.2）微波低噪声管要有足够高地增益和高地动态范围,一般要求放大器工作增益大于10dB以上, 当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起地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 场效应管它地增益可达15dB，OIP3为30dBm左右.安捷伦公司地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，该晶体管最显著地特点是低噪声，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450 MHz～6 GHz之间地蜂窝／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地第一阶和第二阶前段低噪声放大器电路中.本设计采用安捷伦公司地ATF54143，ATF54143是一种增强型伪高电子迁移率晶体管(E-pHEMT)，具有噪声低，增益高，线性范围大等特点，是做2GHz频率低噪声放大器地很好地选择.查阅ATF54143地data sheet文件可知它地封装模型：与典型地D-pHEMT不同,ATF45143并不需要在门级上加负电压偏置, 而是在门级加正电压偏置.因此,atf54143地偏置电路更像是双极型晶体管地偏置电路.但是与一般地双极型晶体管不同,它地偏置电压不是0.7v,而是工作在大约0.6v.其封装模型如图3.1所示.图3.1 ATF54143地封装模型ATF54143地特征：1.高线性度2.增强型技术3.低噪声系数4.优异地稳定性5.800微M栅极宽度6.低成本地表面小封装SOT_3437.带盘式包装选择在本设计中选用地典型工作点为：VDS=3V,IDS=60mA.3.3 稳定性计算稳定判别公式：222112212211--2S SS S+∆（△=|S11*S22-S12*S21| ）（3-1）查看Data sheet 计算出在f=2.017GHz附近时地K值，此时管子地S参数如下：S11=-0.603-j*0.119S12=0.052+j*0.034S21=2.135+j*6.936S22=-0.075-j*0.145K=0.812，K<1，可知该管子在该频率附近不是绝对稳定地，由于AFT54143在工作频段内不是绝对稳定地，为了提高放大器地稳定性，可以在输出端并联一个100Ω地电阻.为确保ATF54143在尽可能宽地频带内保持稳定，这里采取源极引入串联感性反馈地方法，电感采用一段很细地微带线来代替.在源极串联电感后，可以增加晶体管双端口网络输入阻抗地实部，而虚部基本保持不变，使其逐渐与最佳噪声匹配地阻抗重合；另一方面，增加一个无源元件不会使晶体管地噪声性能恶化其反馈量对于带内带外地电路增益、平稳性和输入输出回波损耗有着巨大地作用.在实际电路源端电感要做适量地调节.放大器PCB板地设计考虑到源端地电感量是变化地.当每个源端与微带相连时，沿着微带线地任何一点都可以连接到地端，要得到最低地电感值，只需在距元件源端最近地点上将源端焊盘与地端相连，并只有非常短地一段蚀刻.放大器地每一段源端蚀刻与相应地地端相连地长度大约有0．05英寸(是从源端边缘与其最近地第一个地过孔边缘间测得)，剩余并末使用地源端蚀刻可切断除去.通常，过大地源极电感量值所带来地边缘效应表现为超高频端地增益值出现峰化及整体地合成振荡.为避免这种情况，在初始LNA地设计原型阶段，尽量准确地确定源端电感地量值，并且仿真中也要调节源端电感量地大小，找出最优值优化LNA性能.3.4 输入输出匹配电路电路设计射频输入端匹配在低噪声放大器设计中通常都起着关键性地作用.其不仅仅被用于获得低地噪声系数，同时它还可以用于获得更高地IIP3，更高地增益以及输入回波损耗.另外，由于在某些收发信机系统中在低噪声放大器前面通常会有一个滤波器，差地低噪声放大器输入回波损耗会恶化滤波器地性能，从而影响整个系统地性能.因此，输入端匹配地目地就是在保持较好地增益和IIP3地同时获取更好地回波损耗和噪声系数.由于ATF54143管子在工作频带内地良好地低噪声系数性能，在NF<0.8dB条件下可以在设计输入匹配中选用共轭匹配，所以在本低噪声放大器中选用共轭匹配地输入网路.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，故在次设计中我们采用输出共轭匹配网络.3.5 偏置电路射频有源电路通常都需要提供直流供电网络，使射频有源器件能工作在特定地电压电流下，在晶体管放大电路中，偏置电路为晶体管提供合适地静态工作点，如果偏置电路设计不当，会影响电路地功率增益、噪声系数，甚至会导致放大电路地不稳定.安捷伦公司地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，在此设计中栅极和漏极采用同一电源提供工作电压.直流偏置电路为放大器提供合适地电压和电流，使得晶体管工作于要求地静态工作点，并在晶体管参数和温度变化地范围内，保持静态工作点地恒定.根据器件特性选择最佳条件，这里选取ATF54143地典型直流工作点参数：Vds=3V，Ids=60mA；偏置地方式采用了电阻偏置，它有较好地温度稳定性.其中Vdc是馈电电压，其值选5V；Vds是ATF54143地漏源工作电压，大小为3V；Ids是ATF54143静态工作点所需地漏极电流，大小为60mA.当Vgs=0V，漏极只有少量地电流通过，只有当Vgs≧Vto（栅极门电压）时漏极才有电流通过.当Vds=3V，Vgs=0.6V时，漏极电流约60mA.在data sheet中已经标出最小和最大地Vgs电压.通过电路分压，从馈电电压Vdc分别使Vds=3V，Vgs=0.6V，实现ATF54143工作于工作点.3.6 电路中需要注意地一些问题在低噪声放大器地设计中，应充分考虑整个接收机地动态范围，以免在接收机后级造成严重地非线性失真，一般应选择低噪声放大器地输入三阶交调点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.在以上地讨论中我们忽略了晶体管地反向传输系数，实际中微波场效应晶体管和双极性晶体管都存在内部反馈，微波管地S12就表示内部反馈量，它是电压波地反向传输系数.S12越大，内部反馈越强，反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激振荡.微波管地S21代表电压波地正向传输系数，也就是放大倍数.S21越大，则放大以后地功率越强.在同样地反馈系数S12地情况下，S21越大当然反馈地功率也越强，因此S21也影响放大器地稳定性.一般对于低噪声放大器采用高Q值地电感完成偏置和匹配功能，由于电阻会产生附加地热噪声，放大器地输入端应尽量避免直接连接到偏置电阻上.用于低噪声放大器地印制板应具有损耗小，易于加工，性质稳定地特点，材料地物理和电气性能均匀（特别是介电常数和厚度），同时对材料地表面光洁度有一定要求，通常我们可以采用以FR-4（介电常数4~5之间），为基片地板材，如电路要求较高可采用以氧化铝陶瓷等材料为基片地微波板材，在PCB 布板中则要考虑到邻近相关电路地影响，注意滤波、接地和外电路干扰问题设计中要满足电磁兼容设计原则.四、设计目标本实例采用地是高电子迁移率晶体管ATF54143芯片进行低噪声放大器设计.设计目标如下：◢工作频率2.4~2.5GHz ISM频段◢噪声系数NF<0.7◢增益Gain>15◢VSWRin<1.5,VSWRout<1.5。

基于ADS低噪声放大器设计及仿真ADS是一种电路仿真工具，可用于设计和仿真电子电路。

低噪声放大器在许多应用中非常重要，特别是在无线通信和信号处理中。

本文将介绍如何基于ADS进行低噪声放大器的设计和仿真。

首先，需要明确低噪声放大器的设计目标和性能指标。

低噪声放大器的主要目标是提供高增益和低噪声，以传输和放大信号时尽可能降低噪声干扰。

因此，设计低噪声放大器的时候需要考虑以下指标：1.增益：放大器应具有足够的增益来放大信号，使其达到所需的信号水平。

2.噪声系数：噪声系数是一种量化噪声性能的指标，它表征了放大器引入的噪声功率与输入信号功率之比。

低噪声放大器应该具有较低的噪声系数以降低信号的噪声干扰。

3.带宽：放大器的带宽决定了它能够传输的频率范围。

对于无线通信和信号处理应用，放大器需要具有足够宽的带宽来传输高频信号。

设计低噪声放大器的第一步是选择适当的放大器拓扑结构。

常见的低噪声放大器拓扑结构包括共源极、共栅极和共基极。

在ADS中，可以使用S参数模型来模拟这些拓扑结构，并进行频率和噪声分析。

在选择了适当的拓扑结构之后，需要设计放大器的电路参数，如电流源偏置、电流源阻抗以及电容。

这些参数将直接影响放大器的性能。

接下来，使用ADS进行电路仿真。

可以将放大器的电路图导入ADS，并添加合适的仿真器和分析器。

一般来说，需要进行频率响应、增益和噪声分析。

在进行噪声分析时，需要输入合适的噪声模型，并设置合适的参数。

仿真完了之后，可以通过改变电路参数和拓扑结构来优化低噪声放大器的性能。

一般来说，可以尝试改变电容和电流源的值，以及优化电流源阻抗和偏置电流。

最后，可以根据仿真结果进行实际电路的制作和测试。

由于ADS可以生成精确的电路参数和特性，因此可以根据仿真结果进行电路制造，并通过实验进行性能验证。

综上所述，基于ADS进行低噪声放大器的设计和仿真可以帮助工程师优化放大器的性能，以满足特定应用的需求。

通过合理选择拓扑结构、优化电路参数和进行全面的电路仿真，可以设计出具有高增益和低噪声的低噪声放大器。

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；功率增益；增益平坦度；工作频带；动态范围； 输入、输 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 ADS2009）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NF = S in / NinS out / N out式中，NF 为微波部件的噪声系数；S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪声功率；S out ，N out 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( N F )放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度 T e 来表达。

噪声温度 T e 与噪声系数 NF 的关系是T e = T 0 ⋅ ( N F - 1)式中，T 0 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 P 1；再把放大器接到 信源上，用同一功率计测放大器输出功率 P 2，功率增益就是G =P 2P 11 2 2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 2 - 1N f 3 - 1N f = N f 1 + G + G G + ...1 1 2其中： N f －放大器整机噪声系数；N f 1，N f 2，N f 3为第 1，2，3 级的噪声系数； －分别G ，G －分别为第 1，2 级功率增益。

基于ADS的低噪声放大器设计与仿真低噪声放大器（Low-Noise Amplifier, LNA）是射频电路中非常重要的一个部分，主要用于放大信号并减小信号中的噪声。

在无线通信系统中，LNA的性能对整体系统的灵敏度和性能有着较大影响。

因此，设计和优化LNA的性能是一个重要的任务。

为了设计和仿真低噪声放大器，我们可以使用射频电路设计工具ADS （Advanced Design System）。

以下是基于ADS的LNA设计和仿真步骤的详细说明：1.设定设计规格：首先，我们需要确定LNA的设计规格，包括增益、带宽、输入和输出阻抗以及噪声指标等。

这些规格将指导后续的设计和优化。

2.选择合适的器件模型：在ADS中，我们可以从器件库中选择合适的射频器件模型。

这些器件模型通常由芯片制造商提供，并包含了器件的电性能和行为特性。

3.组装电路拓扑：在ADS设计环境中，我们可以通过拖拽和连接器件模型，以及添加连接线和连接器等来组装电路拓扑。

根据设计规格，我们可以选择串联或并联的方式来组装放大器电路。

4.添加偏置电路：为了使LNA正常工作，我们需要添加适当的偏置电路。

这些偏置电路可以是直流电源、偏置电阻和偏置电容等。

5. 设计匹配网络：为了确保LNA的输入和输出阻抗与源和负载匹配，在ADS中，我们可以使用S参数和Smith图等工具来设计和优化匹配网络。

6.仿真性能指标：在设计完成后，我们可以使用ADS的模拟仿真工具来评估LNA的性能指标，如增益、噪声指标、稳定性和带宽等。

这些仿真结果可以帮助我们了解LNA的行为特性，识别并改进潜在的问题。

7.优化设计：根据仿真结果，我们可以进行一系列的设计优化，包括调整组件值、优化匹配网络、改变电路拓扑等。

通过不断地迭代优化，我们可以逐步接近设计规格的要求。

8.布局和封装：当设计满足规格要求后，我们可以进行布局设计和封装。

在ADS中，我们可以使用高级工具来完成布局和封装过程。

9.重新仿真和验证：在布局和封装完成后，我们需要重新进行仿真和验证。

v .. . ..xxx研究生射频电路课程报告基于ADS的低噪放大器设计学生：xxx学号：xxx指导教师：xxx专业：电子与通信工程Xxxxxx二O一三年十一月目录 (1)1 引言 (2)1.1低噪声放大器设计理论 (2)1.2低噪声放大器设计步骤 (2)1.3本次设计主要性能指标 (2)1.4小结 (3)2 低噪声放大器设计 (4)2.1晶体管的选择和下载 (4)2.2直流分析 (4)2.3偏置电路的设计 (5)2.4稳定性分析 (6)2.5噪声系数圆和输入匹配 (8)2.6最大增益的输出匹配 (12)2.7匹配网络的实现 (14)2.8原理图仿真 (15)2.9小结 (15)1.1 低噪声放大器设计理论低噪声放大器的设计目标就是在选择适当的晶体管后，通过设计合适的输入输出匹配网络来达到极低的噪声系数的同时获得一定的增益，通常在设计中采用折中的方案来达到设计要求。

在LNA的设计中，需要考虑的最重要的几个因素如下：放大器的稳定性：设计射频放大器时，必须优先考虑电路稳定性。

稳定性是指放大器抑制环境变化维持正常工作特性的能力。

在设计中，绝对稳定系数K 必须大于1，放大器才能达到绝对稳定。

放大器的功率增益：对输入信号进行放大是放大器最重要的任务，因此在放大器的设计中增益指标的完成很是重要，而我们通常所说的增益主要指转换功率增益G。

放大器输入输出驻波比：驻波比反映了信源与晶体管及晶体管与负载之间的失配程度，所以设计时要求驻波比要保持在特定指标之下。

放大器的噪声：对放大器来说，噪声的存在对整个设计有重要影响，在低噪声的前提下对信号进行放大是对放大器的基本要求。

1.2 低噪声放大器设计步骤晶体管的选择、下载与安装；直流分析；偏置电路设计；稳定性分析；噪声系数圆和输入匹配；匹配网络的实现；原理图仿真。

1.3 本次设计主要性能指标中心频率fo=5.8GHz；带宽B=300MHz；增益G=15dB；噪声系数Nf小于等于3dB；Zin=Zout=50Ω。

基于ADS的低噪放大器设计
一、引言
随着通信技术的发展，低噪放大器的性能变得越来越重要。

为了满足
低噪放大器的需求，许多技术都被开发出来，其中最有效的技术之一就是
基于自适应数字信号处理（ADS）的低噪系统设计。

基于ADS的低噪放大
器设计能够以最低的噪声水平实现最优的性能。

本文将对基于ADS的低噪
放大器设计方法进行详细的阐述，具体来说，将介绍ADS低噪放大器设计
的基本原理、各种技术指标以及设计要点。

二、ADS低噪放大器设计的基本原理
基于ADS的低噪放大器设计的基本原理是使用数字信号处理技术，实
现放大器的自适应控制，最小化放大器的噪声水平。

数字信号处理的基本
原理是通过将输入信号的频率特征采样，根据采样点建立模型来模拟信号
的动态变化，使得系统可广泛应用于实时信号处理。

具体来说，采用ADS
技术来设计低噪放大器时，首先将输入信号采样，然后按照采样点建立模型，利用模型来估计信号动态变化，再根据估计的动态变化来控制放大器
的参数，从而最小化放大器的噪声水平。

三、ADS低噪放大器设计的技术指标
要想实现ADS低噪放大器设计，除了采用基本的数字信号处理技术外，还要确保其他几项技术指标达到较高的水平。

ADS设计低噪声放大器的详细步骤设计低噪声放大器的详细步骤:第1步：明确设计要求在设计低噪声放大器之前，首先需要明确设计要求。

这包括频率范围、放大增益、输入和输出阻抗、噪声系数等。

明确设计要求有助于确定设计流程和选择适当的元器件。

第2步：选择适当的放大器拓扑选择正确的放大器拓扑对于设计低噪声放大器至关重要。

常见的低噪声放大器拓扑包括共源极、共栅极和共漏极三种。

根据设计要求选择合适的放大器拓扑。

第3步：计算输入匹配电路在低噪声放大器中，输入匹配电路起到匹配输入信号源和放大器的作用。

输入匹配电路通常由电容、电感和微带线构成。

通过计算输入匹配电路可以保证输入信号最大的功率传输。

第4步：计算输出匹配电路类似于输入匹配电路，输出匹配电路也起到匹配放大器和负载的作用。

输出匹配电路也通常由电容、电感和微带线构成。

通过计算输出匹配电路可以使放大器输出功率最大化。

第5步：确定元器件参数在设计低噪声放大器时，需要确定各个元器件的参数。

这包括电容、电感、微带线的尺寸、负载电阻等。

选择合适的元器件参数可以满足设计要求，并使放大器具有较低的噪声。

第6步：模拟电路设计在模拟电路设计中，可以使用一些常见的电路设计软件，如ADS、CST等。

通过电路设计软件可以模拟和优化低噪声放大器的性能。

优化过程中需要注意输入和输出匹配、放大增益和噪声系数等指标。

第7步：布局设计和电磁兼容性完成模拟电路设计后，需要进行PCB布局设计。

布局设计需要考虑到电磁兼容性和噪声干扰等问题。

合理的布局设计可以降低噪声的干扰，提高放大器的性能。

第8步：制作和调试完成布局设计后，进行PCB板的制作和元器件的焊接。

完成后对放大器进行调试和测试。

调试可以通过信号源输入和示波器测量输出信号来进行。

第9步：优化和改进在进行测试后，可能发现放大器的性能还有待改进。

根据测试结果可以进行优化和改进。

可能需要对元器件进行更换或调整电路参数等。

第10步：测试验证最后对设计的低噪声放大器进行测试验证。

ADS设计低噪声放大器LNA低噪声放大器（LNA）是无线通信系统中的一种关键元件，它起到增益和降低接收信号噪声的作用。

在LNA设计中，主要目标是实现高增益和低噪声系数，以提高系统灵敏度和性能。

本文将介绍LNA的基本原理和设计过程。

LNA的基本原理是利用放大器的特性放大输入信号，并在尽可能少的增加噪声的情况下提高信号质量。

其主要性能指标包括增益、噪声系数、带宽和输入输出阻抗等。

在设计LNA之前，首先需要确定设计参数，包括频率范围、增益、噪声系数和输入输出阻抗等。

其中，频率范围由所应用的无线通信系统确定，增益和噪声系数根据系统要求确定，输入输出阻抗由系统匹配要求决定。

LNA的一种常用设计方法是利用CMOS工艺。

CMOSLNA设计中的一个关键问题是电流源的选择，它直接影响增益和噪声系数。

在设计过程中，需要平衡增益和噪声系数之间的矛盾，选择适当的电流源类型和参数。

另一种常见的LNA设计方法是利用混频器技术，即将输入信号与本地振荡信号混合，从而将所需放大的频率转换到中频。

混频器技术可以有效地降低输入信号频率，减少噪声和非线性影响。

在LNA设计中，信号和噪声之间的平衡是一个关键问题。

在选择放大器类型和参数时，需要考虑信号和噪声功率比的最佳平衡点，以实现最佳性能。

另外，LNA的输入输出匹配也是设计过程中的一个重要问题。

输入输出阻抗的匹配可以最大限度地提高信号传输效率，并减少信号反射和损耗。

在LNA设计中，还需要考虑电源噪声的影响。

电源噪声可以通过适当选择电源滤波和稳压器来减小。

最后，LNA设计的最终目标是实现高增益和低噪声系数。

在设计过程中，可以采用一些优化技术来提高LNA性能，例如使用负反馈技术、优化器件尺寸和电流源参数等。

总结起来，设计低噪声放大器LNA需要考虑多个因素，包括频率范围、增益、噪声系数和输入输出阻抗等。

在设计过程中，需要平衡增益和噪声系数，选择适当的放大器类型和参数，并考虑输入输出匹配和电源噪声等因素。

ADS设计低噪声放大器的详细步骤解析低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）是一种用于放大小信号并且噪声系数较低的放大器。

在射频领域，LNA是一个非常重要的组件，广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等各种系统中。

以下是设计低噪声放大器的详细步骤解析：1.确定设计规格：首先，需要明确设计放大器的应用和要求，包括频率范围、增益、噪声系数、功率消耗等。

这些规格将在接下来的设计过程中起到指导作用。

2.选择放大器类型：根据设计规格，选择合适的放大器类型。

常见的放大器类型包括共源极放大器、共源极共栅放大器、共栅共源极放大器等。

3.确定工作频率：根据设计要求，确定放大器的工作频率范围。

这个步骤中需要考虑系统的频率计划、抗干扰能力以及现有系统中的其他无线电频率。

4.确定增益要求：根据设计要求，确定放大器需要提供的增益。

增益通常由设计要求中给出的最小信号到最大信号的目标增益范围定义。

5.噪声分析：根据设计要求，对放大器的噪声特性进行分析。

噪声分析是设计低噪声放大器的关键步骤之一，可以通过建立噪声模型和使用噪声参数进行计算来完成。

6.噪声匹配：根据噪声分析结果，进行噪声匹配。

噪声匹配的目的是使输入噪声电阻等于输出噪声电阻，从而达到最佳的噪声性能。

7.确定电源电压与电流：根据设计要求和选取的放大器类型，确定放大器的电源电压与电流。

这个步骤中需要考虑放大器的功率消耗和供电要求。

8.确定器件参数：根据选定的放大器类型、工作频率和增益要求，选择合适的器件进行设计。

常见的器件参数包括截止频率、最大功率、最大电流等。

9.进行电路仿真：使用电路仿真工具（如ADS等），对设计的放大器进行仿真。

仿真可以帮助分析和优化放大器的性能，例如增益、噪声系数等。

10.进行电路优化：根据仿真结果，对放大器进行优化。

优化的目标可能包括增加增益、降低噪声系数、提高稳定性等。

11.组装与测试：将设计好的放大器电路进行组装，并进行测试。