第5章低噪聲放大電路設(shè)計(jì)5.1低噪聲放大器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)5.1.1隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)各種無(wú)線通訊工具的要求也越來(lái)越高，功率輻射小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營(yíng)商乃至無(wú)線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，這就對(duì)系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求，眾所周知，系統(tǒng)接收靈敏度的計(jì)算公式如下：S=-174+NF+10㏒BW+S/N（1）由上式可見，在各種特定（帶寬、解調(diào)S/N已定）的無(wú)線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。5.1.2一個(gè)低噪聲放大器的性能包含低的噪聲系數(shù)，合理的增益和穩(wěn)定性，在整個(gè)有用頻率范圍內(nèi)不會(huì)振蕩。這種放大器的典型工作狀態(tài)是A類，其特征是，偏置點(diǎn)大約處于所使用器件的最大電流和電壓能力的中心。1.噪聲系數(shù)NF放大器的噪聲系數(shù)NF可定義如下（2） （2）式中，NF為微波部件的噪聲系數(shù)；Sin，Nin分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率；Sout，Nout分別為輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過(guò)放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。通常，噪聲系數(shù)用分貝數(shù)表示，此時(shí)（3） （3）（4）對(duì)單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：（4）其中Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，Γopt、Rn和Γs分別為獲得Fmin時(shí)的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。對(duì)多級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：（5）其中NFn為第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級(jí)放大器的增益。在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示很不方便，常常用噪聲溫度來(lái)表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：Te=T0(NF–1)（6）其中Te為放大器的噪聲溫度，T0=2900K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。NF(dB)=10LgNF（7）2.放大器增益G微波放大器功率增益有多種定義，比如資用功率增益、實(shí)際增益增益、共扼增益增益、單向化增益等。對(duì)于實(shí)際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源和負(fù)載都是50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗情況下實(shí)測(cè)的增益。實(shí)際測(cè)量時(shí)，常用插入法，即用功率計(jì)先測(cè)信號(hào)源能給出的功率P1；再把放大器接到信源上，用同一功率計(jì)測(cè)放大器輸出功率P2，功率增益就是（8） （8）低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)的。噪聲最佳匹配點(diǎn)并非最大增益點(diǎn)，因此點(diǎn)增益G要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大增益大概低2－4dB。3.輸入輸出的駐波比和反射系數(shù)低噪聲放大器主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來(lái)設(shè)計(jì)的，其結(jié)果會(huì)偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會(huì)很好。此外，由于微波場(chǎng)效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無(wú)耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來(lái)壓低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。4.放大器的動(dòng)態(tài)范圍（IIP3）動(dòng)態(tài)范圍是指低噪音放大器輸入信號(hào)允許的最小功率和最大功率的范圍。動(dòng)態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。當(dāng)放大器的噪聲系數(shù)Nf給定時(shí)，輸入信號(hào)功率允許最小值是：（9） （9）其中：－微波系統(tǒng)的通頻帶(例如中頻放大器通頻帶)；M－微波系統(tǒng)允許的信號(hào)噪聲比，或信號(hào)識(shí)別系數(shù)；T0－環(huán)境溫度，293K。由公式可知，動(dòng)態(tài)范圍下限基本上取決于放大器噪聲系數(shù)，但是也和整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)和要求有關(guān)。例如，電視機(jī)信號(hào)微波中繼每信道頻帶＝40MHz，信號(hào)噪音比M＝10，放大器噪聲系數(shù)Nf=1.2(0.8dB)動(dòng)態(tài)范圍下限是。動(dòng)態(tài)范圍的上限是受非線性指標(biāo)限制，有時(shí)候要求更加嚴(yán)格些，則定義為放大器非線性特性達(dá)到指定三階交調(diào)系數(shù)時(shí)的輸入功率值。除以上各項(xiàng)外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度等指標(biāo)也很重要，設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮。5.1.31.低噪聲放大管的選擇原則對(duì)微波電路中應(yīng)用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動(dòng)態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達(dá)到幾個(gè)千兆噪聲系數(shù)為幾個(gè)分貝，而砷化鎵小信號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在1dB以下。我們?cè)谶x取低噪聲放大器管通常可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：1）微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的一般要比工作頻率高4倍以上，現(xiàn)在PHEMT場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在2GHz可在0.5dB左右，工作頻率高端可達(dá)到6GHz。2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動(dòng)態(tài)范圍,一般要求放大器工作增益大于10dB以上,當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)最大值時(shí)由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲。2.輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)原則對(duì)于單級(jí)晶體管放大器的噪聲系數(shù)，如上式（4）所示，式（4）可以化成一個(gè)圓的表達(dá)式，即等噪聲系數(shù)圓。圓上每一點(diǎn)代表一個(gè)能產(chǎn)生恒定噪聲系數(shù)NF的源反射系數(shù)。如要獲得需要的噪聲系數(shù)，只要在圓圖上畫出對(duì)應(yīng)于這個(gè)噪聲系數(shù)的圓，然后將源阻抗匹配到這個(gè)圓上的一個(gè)點(diǎn)就行了。實(shí)際設(shè)計(jì)中由于要兼顧到放大器的增益，通常我們不取最小噪聲系數(shù)。在對(duì)放大器進(jìn)行單項(xiàng)化設(shè)計(jì)時(shí)（假定S12＝0），轉(zhuǎn)移功率增益GT可以由如下公式表示：GT=G0G1G2其中，對(duì)于特定的晶體管S11、S22是確定的，不同的源反射系數(shù)Γ1和負(fù)載反射系數(shù)Γ2，可以構(gòu)成恒定增益圓，設(shè)計(jì)時(shí)只須將源和負(fù)載反射系數(shù)分別匹配到相應(yīng)的圓上，便能得到相應(yīng)的增益。將恒定增益圓與等噪聲系數(shù)圓結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)，便能得到比較理想的結(jié)果。另外設(shè)計(jì)中還要注意增益平坦設(shè)計(jì)主要是高端共軛匹配，低端校正，一般還需在多個(gè)中間頻率上進(jìn)行增益規(guī)定性校驗(yàn)，在高頻應(yīng)用時(shí)由于微波晶體管本身的增益一般隨著頻率的升高而降低，為了保證電路在低頻率段的增益恒定和穩(wěn)定性可以考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。在以上的討論中我們忽略了晶體管的反向傳輸系數(shù)，實(shí)際中微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極性晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的S12就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。S12越大，內(nèi)部反饋越強(qiáng)，反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。微波管的S21代表電壓波的正向傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。S21越大，則放大以后的功率越強(qiáng)。在同樣的反饋系數(shù)S12的情況下，S21越大當(dāng)然反饋的功率也越強(qiáng)，因此S21也影響放大器的穩(wěn)定性。3.放大器穩(wěn)定性一個(gè)微波管的射頻絕對(duì)穩(wěn)定條件是：其中K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K大于1是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當(dāng)式（2－4）中的三個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。對(duì)于潛在不穩(wěn)定的放大器，至少有兩種可選擇的途徑：1）引入電阻匹配元件使K≥1和GMAX≈GMS2）引入反饋使K≥1和GMAX≈GMS在實(shí)際設(shè)計(jì)中為改善微波管自身穩(wěn)定性，有以下幾種方式：1）串接阻抗負(fù)反饋在MESFET的源極和地之間串接一個(gè)阻抗元件，從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。對(duì)于雙極晶體管則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元件接地。在實(shí)際的微波放大器電路中，電路尺寸很小，外接阻抗元件難以實(shí)現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來(lái)代替，它相當(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋。2）用鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線與放大器之間，假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減微為，反向功率衰減為，且1，1。則＝0為加隔離器前的反射系數(shù)，為加隔離器后的反射系數(shù)。用以改善穩(wěn)定性的隔離器應(yīng)該具有的特性是：頻帶必須很寬，要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩(wěn)定頻率范圍；反向隔離度并不要求太高；正向衰減只需保證工作頻帶之內(nèi)有較小衰減，以免影響整機(jī)噪聲系數(shù)，而工作頻帶外，則沒有要求。隔離器本身端口駐波比要小。3）穩(wěn)定衰減器型阻性衰減器是一種簡(jiǎn)易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施，通常接在低噪聲放大器末級(jí)輸出口，有時(shí)也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級(jí)間，由于衰減器是阻型衰減，不能加在輸入口或前級(jí)的級(jí)間，以免影響噪聲系數(shù)。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加型阻性衰減器，對(duì)改善穩(wěn)定性相當(dāng)有效。圖5-1是設(shè)計(jì)放大器的步驟：晶體管選擇：晶體管選擇：S參數(shù);噪聲參數(shù);功率輸出;價(jià)格.K值計(jì)算K<1，計(jì)算GmsK>1，計(jì)算Gma在ΓG和ΓL平面上畫出不穩(wěn)定區(qū)域滿足穩(wěn)定區(qū)域和增益=GMS,在?2處設(shè)計(jì)M1和M2在?2處設(shè)計(jì)M1和M2（假設(shè)S12=0）畫出ΓG和ΓL與頻率是否在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)直流偏置電路，再次驗(yàn)證穩(wěn)定性完成放大器完整的尺寸結(jié)構(gòu)驗(yàn)證穩(wěn)定性制板圖5-1設(shè)計(jì)放大器的一般步驟根據(jù)器件廠商提供的S參數(shù),噪聲系數(shù)和線性輸出功率，選擇所需器件；計(jì)算工作頻帶內(nèi)的K和GMAX或GMS值；當(dāng)K>1時(shí)，在上邊帶?2處做輸入輸出匹配的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；當(dāng)K<1時(shí)，在ΓG和ΓL平面畫出不穩(wěn)定區(qū)域，在上邊帶邊邊緣處選擇與輸入輸出部分匹配的拓?fù)洌⒈荛_不穩(wěn)定區(qū)域，增益的上限接近GMS.找到初始M1和M2后，畫出放大器S參數(shù)對(duì)頻率的關(guān)系曲線；再畫出ΓG和ΓL的頻率關(guān)系曲線，確定放大器的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)直流偏置電路。5.2用FET設(shè)計(jì)LNA實(shí)例本節(jié)以AVAGO公司的ATF54143為例，介紹低噪聲放大器實(shí)例與仿真。5.2.1DATASHEET解讀路，例如放大器和振蕩器的核心都是晶體管，設(shè)計(jì)之前必須詳細(xì)了解晶體管的各方面參數(shù)和性能，這是選擇晶體管并作設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。而半導(dǎo)體公司提供的晶體管的芯片資料（DataSheet）是設(shè)計(jì)者獲得有關(guān)晶體管信息最重要的資料，所以如何有效閱讀一篇晶體管的芯片資料是每個(gè)射頻電路設(shè)計(jì)者必須要掌握的。下面以Agilent公司的高電子遷移率晶體管（PHEMT）ATF54143的芯片資料為例子，看看如何閱讀一篇晶體管芯片資料。ATF54143Datasheet資料請(qǐng)讀者到安捷倫科技網(wǎng)站下載.1．ATF54143DataSheet研讀ATF54143是Agilent科技半導(dǎo)體部（現(xiàn)為Avago科技）出品的一款低噪聲增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管，使用表面貼片安裝(SMD)塑封封裝。第一頁(yè)簡(jiǎn)要介紹了ATF54143的主要性能，關(guān)鍵參數(shù)和主要應(yīng)用等。Description介紹了ATF54143是一款低噪聲增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管，封裝為四管腳SC-70表面安裝塑料封裝。其高增益、高線性度和低噪聲可用于從450MHz到6GHz范圍內(nèi)的系統(tǒng)。Features里簡(jiǎn)要說(shuō)明了該晶體管的特點(diǎn)，包括高線性度、低噪聲、800微米的柵極寬度（在半導(dǎo)體工藝?yán)锩妫瑬艠O寬度是決定整個(gè)工藝的最核心參數(shù)）還有低成本的封裝。Specifications（如圖5-）里面描述了該晶體管在其典型工作頻率（2GHz）和典型偏置（Vds=3V、Ids=60mA）時(shí)的主要性能，包括3階交調(diào)、1dB壓縮點(diǎn)、噪聲系數(shù)、資用增益等。圖ATF54143特性Applications里列舉了ATF54143的主要應(yīng)用。第二頁(yè)的表“ATF54143AbsoluteMaximumRatings”給出了ATF54143可以承受的最大功率、電壓、電流和溫度。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，尤其注意相關(guān)的電壓和功率不能超過(guò)最大值，否則管子會(huì)損壞。第三頁(yè)的列表“ATF54143ElectricalSpecification”給出了在一定溫度下（）晶體管的主要參數(shù)（如圖5-2）。圖5-2ATF54143電學(xué)特性對(duì)于不同用途的晶體管，設(shè)計(jì)者一般只關(guān)注跟具體用途和設(shè)計(jì)關(guān)系密切的參數(shù)。例如ATF54143的一個(gè)重要應(yīng)用就是用作低噪聲放大器，那么在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)晶體管的NF參數(shù)性能就受到特別關(guān)注，表中標(biāo)明了NF在頻率2GHz和一定偏置（Vds=3V，Ids=60mA）的情況下的噪聲參數(shù)典型值為0.5dB，在頻率900MHz時(shí)為0.3dB。通常設(shè)計(jì)者在低噪放晶體管比較選型時(shí)，這個(gè)參數(shù)是重點(diǎn)。它的1dB壓縮點(diǎn)在2GHz的時(shí)候?yàn)?0.4dBm，在900MHz的時(shí)候?yàn)?8.4dBm。也就是說(shuō)在設(shè)計(jì)時(shí)晶體管的輸出功率不能超出對(duì)應(yīng)的值，否則會(huì)引起失真。第四頁(yè)和第五頁(yè)“ATF54143TypicalPerformanceCurves”的圖描述了在不同頻率（2GHz、900MHz）不同偏置（Vds、Ids、Idq，一般在低噪放的設(shè)計(jì)中偏置電路只考慮Vds和Ids）下晶體管關(guān)鍵性能（Fmin、GAIN、OIP3、P1dB）的變化曲線圖。例如在圖5-？中可以看到當(dāng)Vds=3V時(shí)，Id在20mA時(shí)Fmin有值大約為0.41dB，此時(shí)最大增益約為16.3dB。圖5-3ATF54143典型特性曲線根據(jù)產(chǎn)品的要求，在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，工程師都是從放大器的產(chǎn)品指標(biāo)出發(fā)（這些設(shè)計(jì)指標(biāo)包括Fmin、GAIN、OIP3、P1dB），（如圖5-？）根據(jù)這些圖表選擇適當(dāng)?shù)钠珘篤ds，偏置電流Ids。圖5-ATF54143從第六頁(yè)到第九頁(yè)列出了在某個(gè)特定偏置（Vds，Ids）下的S參數(shù)（如圖5-？）和噪聲參數(shù)（如圖5-？），ADS的器件庫(kù)中的SParameterLibrary庫(kù)就是此類SNP文件的集合。SParameterLibrary中器件只能進(jìn)行S參數(shù)和噪聲的仿真，不能進(jìn)行直流仿真（直流偏置已確定）。圖5-？S參數(shù)列表圖5-？噪聲參數(shù)列表第十頁(yè)到第十一頁(yè)給出了ATF54143的典型應(yīng)用電路的信息。這里面包括兩個(gè)偏置不同的電路，一個(gè)為無(wú)源偏置，一個(gè)為有源偏置。第十二頁(yè)給出了ATF54143的模型（如圖5-？），在Avago公司提供的ATF54143的ADS模型的zap文件里的就是這個(gè)模型。這是晶體管的完整模型，可以進(jìn)行從直流偏置到S參數(shù)的全部仿真。在沒有晶體管的zap文件的情況下，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)DataSheet所提供的模型參數(shù)自行在ADS里面建模。圖5-？第十三頁(yè)給出了關(guān)于ATF54143的非線性模型的一些信息（如圖5-？）。非線性模型牽涉到晶體管源極的分布電感，PCB板上的接地孔。圖5-？第十四頁(yè)給出了噪聲參數(shù)應(yīng)用信息。第十五頁(yè)給出了SOT-343封裝尺寸，一般根據(jù)此尺寸做PCBLayout封裝.第十六頁(yè)為產(chǎn)品的包裝信息。5.2.2LNA實(shí)例本實(shí)例采用Avago公司（原Agilent公司半導(dǎo)體部）的一款PHEMTFET來(lái)進(jìn)行低噪聲放大器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)目標(biāo)：工作頻率2.4-2.5GISM頻段噪聲系數(shù)NF<0.7增益？VSWRin<1.5,VSWRout<1.5。設(shè)計(jì)大致步驟如下：1、下載并安裝晶體管的庫(kù)文件2、直流分析3、偏置電路設(shè)計(jì)4、穩(wěn)定性分析5、噪聲系數(shù)圓和輸入匹配6、最大增益的輸出匹配7、匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)1、下載并安裝晶體管的庫(kù)文件進(jìn)入ADS元件庫(kù)搜索發(fā)現(xiàn)，ADS2008自帶元件庫(kù)里并無(wú)ATF54143元件模型，我們將直接從Avago公司的網(wǎng)站(Project選項(xiàng)解壓此文件（如圖5-4）。圖5-4釋放zap文件選擇ATF54143.zap文件，把它釋放到你需要存放的路徑釋放后生成一個(gè)ATF54143_prj的ADS工程（如圖5-？）。值得注意的是，解壓路徑中最好不要有中文，否則可能報(bào)錯(cuò)。圖5-5釋放zap文件對(duì)話框Unarchive完畢后你就可以使用這個(gè)ATF54143的模型了。下面將進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的設(shè)計(jì)步驟：1）新建一個(gè)工程ATF54143_LNa_2_prj。為了能夠使用ATF54143的模型，新建工程需要把剛才的ATF54143_prj添加進(jìn)來(lái)。具體操作為點(diǎn)擊File->Include/RemoveProjects如圖5-6：圖5-6在自己的工程中加入晶體管工程在“Include&Remove”的對(duì)話框中找到電腦中的ATF54143_prj和剛才新建的工程，把ATF54143_prj添加進(jìn)去（如圖5-7）。圖5-7在自己的工程中加入晶體管工程（2）添加以后可以在ATF54143_LNa_2_pr工程中使用這個(gè)模型，下面將將進(jìn)行放大器直流分析。2、直流分析DCTracing設(shè)計(jì)LNA的第一步是確定晶體管的直流工作點(diǎn)。1．)新建一個(gè)原理圖，在Sch。。templates選擇DC_FET_T（如圖5-8），新建與原理圖名為DC_FET_T。.圖5-8新建DC_FET_T原理圖點(diǎn)擊OK,打開這個(gè)原理圖，可以看到它里面已經(jīng)把FETDCTracing的控件放置好了（如圖5-9）：圖5-9DC_FET_T原理圖2.)打開元件庫(kù)列表如圖5-10）：圖5-10打開庫(kù)列表3.)在庫(kù)列表里面可以看到，剛加添加進(jìn)來(lái)的ATF54143的模型已經(jīng)包含在這個(gè)LNA工程里面了。可以像其他元件一樣直接調(diào)用。選擇Lastest54143，右擊點(diǎn)擊“Placecompnent”添加到原理圖里面（如圖5-11）。圖5-11在原理圖中加入元件（1）圖5-11在原理圖中加入元件（2）4.)下面需要設(shè)置DC_FET控件的參數(shù)。在ATF54143的datasheet里面（如圖5-12）可以看到ATF54143的Vgs為0.3-0.7V。（ATF54143為PHEMTFET。Vgs的值需要為負(fù)。）圖5-12ATF54143電氣性能最大限值根據(jù)圖5-12可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)并用連接原理圖（如圖5-13）：圖5-13完整DC_FET_T原理圖圖5-13中DC_FET中的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：VGS_start：起始柵極電壓；VGS_stop：終止柵極電壓；VGS_points：柵電流值的采樣點(diǎn)數(shù)目；VDS_start：初始漏-源電壓；VDS_stop：終止漏-源電壓；VDS_points：漏-源電壓值的采樣點(diǎn)數(shù)目。6）點(diǎn)擊開始仿真。因?yàn)樵韴D用的是模版，所以仿真結(jié)果直接糾顯示了以下圖線，如圖5-14所示：圖5-14ATF54143直流特性圖從ATF54143的datasheet上可以看到噪聲和Vds和Igs的關(guān)系，從而確定晶體管工作點(diǎn)（如圖5-15）：圖5-15ATF54143直流篇置曲線從圖5-15里面可以看到，在2GHz的時(shí)候在Vds=3V且Ids=20mA時(shí)Fmin接近最小值，此時(shí)增益大約為16.3dB。能滿足我們的設(shè)計(jì)要求，那么晶體管直流工作點(diǎn)就設(shè)為Vds=3V，Ids=20mA。3、偏置電路的設(shè)計(jì)1.）創(chuàng)建一個(gè)新的原理圖，在原理圖中放入ATF54143的模型和DA_FETBias（如圖5-16）：圖5-16偏置電路原理圖2.）放入直流電源，連接各部件如圖5-17：圖5-17偏置電路原理圖（2）3.）在DesignGuide里面選擇Amplifier（如圖5-18）：圖5-18選擇放大器的輔助設(shè)計(jì)4.）在彈出來(lái)的對(duì)話框中選擇TransistorBiasUtility（如圖5-19）：圖5-19放大器設(shè)計(jì)向?qū)У膶?duì)話框5.）在TransistorBiasUtility的設(shè)置里面把剛才確定的晶體管直流工作點(diǎn)Vdd=5V，Vds=3V，Ids=20mA（注意：ATF54143的封裝上有兩個(gè)柵極，每個(gè)柵極電流為Ids=20mA，相加就是Id=40mA）。設(shè)置完成后點(diǎn)擊最下面的Design。（如圖5-20）圖5-20TransistorBiasUtility的設(shè)置6.）下一步進(jìn)入BiasNetworkselection設(shè)置單元，繼續(xù)點(diǎn)擊OK。這樣ADS軟件就自動(dòng)生成一個(gè)偏置電路（圖5-21）。圖5-21設(shè)置偏置電路類型（注：在BiasNetworkSelection對(duì)話框里面有三個(gè)偏置網(wǎng)絡(luò)可以選，另外兩個(gè)如圖5-22），在另兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)里面，晶體管的源極是有電阻的，但通常LNA的設(shè)計(jì)中，S極只接反饋電感（微帶線）所以選用第一個(gè)偏置網(wǎng)絡(luò)。圖5-22另兩種偏置網(wǎng)絡(luò)7.）完成對(duì)片置網(wǎng)絡(luò)的選擇后，這時(shí)自動(dòng)生成的偏置電路為該原理圖的一個(gè)子電路，可以通過(guò)選定DA_FETBias_1再點(diǎn)擊PushIntoHierarchy(圖標(biāo))來(lái)看這個(gè)子電路。（圖5-23）圖5-23查看子電路偏置電路如圖5-24：圖5-24偏置子電路從圖5-24上可以看到，R2和R4的電阻值都不是整數(shù)，都不是常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（感覺用標(biāo)稱值更好）值，它們僅僅是理論計(jì)算的結(jié)果。下面會(huì)把它們用相近的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)電阻代替。8.）現(xiàn)在偏置電路已經(jīng)設(shè)計(jì)好了，在原理圖中加入DC仿真控件，進(jìn)行直流仿真。仿真結(jié)束后點(diǎn)擊Simulation->AnnotateDCSolution可以看仿真結(jié)果。（圖5-25）圖5-25察看仿真結(jié)果直流仿真結(jié)果如圖5-？，在這里可以看到Vds=3V，Ids=40mA，就是當(dāng)初設(shè)置的偏置結(jié)果。（如圖5-26），依次點(diǎn)擊simulate->AnnotateDCSolution可以看到原理圖中電路各節(jié)點(diǎn)的電壓電流。圖5-26晶體管各端偏置電壓電流9.）重建一個(gè)原理圖，把偏置電路重新畫一遍（如圖5-27）。在這里仍然按照上面的方法顯示電路各節(jié)點(diǎn)的電壓電流。圖5-27偏置電路原理圖4、穩(wěn)定性分析1.）創(chuàng)建一個(gè)新的原理圖（如圖5-28）：圖5-28加入理想直流扼流和射頻扼流的原理圖2.）因?yàn)橐M(jìn)行S參數(shù)的仿真，所以加了很多控件，其中Term是端口，一般都默認(rèn)50Ohm；StabFact控件是穩(wěn)定系數(shù)，也就是k，在這里我們要求k>0；MaxGain是最大增益控件（注意不是實(shí)際增益，實(shí)際增益看S21）；S-paraments控件里面設(shè)置仿真的參數(shù)。圖5-28的幾個(gè)控件的意義：：返回從輸入和測(cè)量點(diǎn)的最大資用和穩(wěn)定的功率（dB值）；：返回Rollett穩(wěn)定系數(shù)K；另外放大器的直流和交流通路之間要加射頻扼流電路，實(shí)質(zhì)是一無(wú)源低通電路，使直流偏置（低頻信號(hào)）能傳輸?shù)骄w管管腳，而晶體管的射頻信號(hào)（頻率很高，在這里是2.4GHz的傳輸信號(hào)不要進(jìn)入直流通路），實(shí)際中一般是一個(gè)電感，有時(shí)也會(huì)加一個(gè)旁路電容接地，在這里先用DC_Feed扼流電感代替。同時(shí)直流偏置信號(hào)不能傳到兩端的Term，需要加隔直電路，一般都是一個(gè)電容，這里先用DC_Block隔直電容代替。3.）S_Paraments的設(shè)置如圖5-29：圖5-29設(shè)置S_Paraments參數(shù)設(shè)計(jì)的工作頻率在2.4GHz，頻率范圍設(shè)置從1GHz到4GHz。4）下一步開始仿真。仿真結(jié)束后，在數(shù)據(jù)顯示窗口可以通過(guò)點(diǎn)擊左側(cè)的各個(gè)顯示格式看需要看的數(shù)據(jù)。這里點(diǎn)擊顯示矩形直角坐標(biāo)圖(圖標(biāo))。在對(duì)話框里可以顯示我們想看的內(nèi)容（如圖5-30）圖5-30PlotTraces對(duì)話框（提示：在PlotTraces對(duì)話框MaxGain、StabFact這些剛才在原理圖里面設(shè)置的內(nèi)容，在數(shù)據(jù)顯示窗口里面是無(wú)法看到這些想看的信息的，所以一般在畫原理圖時(shí)就把到時(shí)候需要看的東西的各種控件全都加上）。5.）可以選擇顯示MaxGain1和Stabfact1的曲線，在里面加上marker（圖標(biāo)）可以看曲線上某個(gè)頻率點(diǎn)的精確數(shù)值（圖5-31）：圖5-31最大增益和穩(wěn)定系數(shù)K的曲線從圖5-？里可以看到在2.45GHz，最大增益為20.795dB，穩(wěn)定性系數(shù)為K=0.961，小于1。從晶體管放大器理論可以知道只有絕對(duì)穩(wěn)定系數(shù)K>1，放大器電路才會(huì)穩(wěn)定，這里K<1,不穩(wěn)定。6.）使系統(tǒng)穩(wěn)定的最常用的辦法就是加負(fù)反饋，本例將在PHEMT的兩個(gè)源極加小電感作為負(fù)反饋（圖5-32）。圖5-32晶體管加負(fù)反饋原理圖7.）圖5-32里面的Var是調(diào)節(jié)變量的。把兩個(gè)電感的值設(shè)成變量Ls，放到Var里面，這樣調(diào)起來(lái)比較方便。（如圖5-）圖5-var參數(shù)的設(shè)置現(xiàn)在Ls的值是1nH，仿真結(jié)果如圖5-33：圖5-33最大增益和穩(wěn)定性曲線從這里可以看到由于加了負(fù)反饋，在2.45GHz最大增益減小到15.030dB，穩(wěn)定系數(shù)增加到1.005。8.）一般情況下需要仔細(xì)調(diào)節(jié)反饋電感的值，使其在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定，本例經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，Ls值最終定為0.45nH。仿真結(jié)果如圖5-34：圖5-34調(diào)節(jié)Ls后的最大增益和穩(wěn)定性曲線從圖5-？里可以看出一個(gè)問(wèn)題，整個(gè)電路在低頻部分不穩(wěn)定，并且低頻部分增益還很高。實(shí)際電路中低頻區(qū)可能會(huì)導(dǎo)致自激振蕩。解決此問(wèn)題的方法是使用較小數(shù)值的截止阻抗。下面就把理想的DC_Feed元件改成實(shí)際真實(shí)的器件，本實(shí)例選用MuRata（日本村田公司）的電容和電感。整個(gè)原理圖如圖5-35。9.）ADS2008自帶元件庫(kù)中沒有MuRata元件，我們可以直接上MuRata網(wǎng)站下載電容的ADSDesignKits。圖5-35在原理圖中加入MuRata元件這里面的射頻扼流電路用了一個(gè)串聯(lián)電感加一個(gè)旁路電容（不屬于扼流吧？）接地，也可以只用一個(gè)電感，只要達(dá)到讓直流偏置通過(guò)同時(shí)扼制射頻信號(hào)就可以了。10）雙擊一個(gè)MuRata的電感，可以看到MuRata在這個(gè)電感模型里包含了真實(shí)電感的包括封裝、誤差范圍、工作頻率范圍等等諸多參數(shù)，也可以在這里選擇不同的電感值。對(duì)于電容同樣（圖5-36）。在這個(gè)電路里面在輸入端的串聯(lián)電感值為3.9nH，旁路電容為3.9pF，輸出端電路串聯(lián)電感值為22nH，旁路電容為10pF，封裝都是0603。圖5-36選擇MuRata元器件的值下面是仿真結(jié)果：（圖5-37）圖5-37加入MuRata后的仿真結(jié)果從這里可以看到電路在低頻部分已經(jīng)穩(wěn)定了。11）下面需要把晶體管源極的兩個(gè)電感換成微帶線的形式。一方面是因?yàn)檫@兩個(gè)電感值太小，實(shí)際的電感能做到很難，另一方面是因?yàn)閺纳厦嬲{(diào)節(jié)這兩個(gè)電感值就可以發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)電感值稍微的改變，就會(huì)對(duì)整個(gè)電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。最后實(shí)際電路里面這兩處如果用分立的實(shí)際電感的話，分立器件本身和焊接等等不確定寄生參數(shù)影響太大，所以這里用感性的微帶線來(lái)代替。關(guān)于對(duì)給定電感值算出等效傳輸線有現(xiàn)成的公式：式中是微帶線的長(zhǎng)度（單位inch），是電感值（單位nH）。就是PCB板上微帶線的特征阻抗。這就需要在原理圖中插入PCB板的相關(guān)參數(shù)信息，這里用FR4射頻板（如圖5-38）。圖5-38MSub的設(shè)置12）此時(shí)整個(gè)原理圖如圖5-39所示：圖5-39加了負(fù)反饋的原理圖在圖5-？里，晶體管源極微帶線寬0.5mm，其特征阻抗為87.0502Ohm，最后算出來(lái)的長(zhǎng)度為0.739mm。實(shí)際上在生產(chǎn)中一般沒有小數(shù)點(diǎn)后三位的精度，所以這里只取0.7mm。13）圖5-40給出了圖5-39的仿真結(jié)果：圖5-40加了負(fù)反饋的仿真結(jié)果14）從圖5-？里看穩(wěn)定性和最大增益都比較好，符合設(shè)計(jì)要求。下面把晶體管兩端的DC_block理想元件替換成真實(shí)的器件，仍然用MuRata的電容，兩個(gè)隔直電容都選用GRM18系列，電容值為22pF（圖5-41）。圖5-41把隔直電容換成MuRata電容15）圖5-42為仿真結(jié)果：圖5-42仿真結(jié)果從圖5-？中可以看出，全部換成真實(shí)器件之后穩(wěn)定系數(shù)和增益依然很好。5、噪聲系數(shù)圓和輸入匹配1）仿真噪聲系數(shù)需要在S參數(shù)仿真控件里把計(jì)算噪聲的功能打開。如圖5-43中把“Calculatenoise”勾上圖5-43在S-Parameter中設(shè)置噪聲的計(jì)算2.）仿真結(jié)束后用矩形圖顯示NFmin參數(shù)（如圖5-44）：圖5-44噪聲參數(shù)曲線從NFmin的圖上可以看到2.465GHz時(shí)的最小噪聲系數(shù)為0.426dB。下面就要設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)妮斎肫ヅ渚W(wǎng)絡(luò)來(lái)達(dá)到這個(gè)最小噪聲。3）在數(shù)據(jù)顯示窗口里點(diǎn)擊Equ圖標(biāo)編輯框中的表達(dá)式：（如圖5-45）圖5-45編輯等式第一個(gè)表達(dá)式：“indx=find_index(SP.freq,indep(m1))”返回值是上面定的markerm1的頻率（這里m1是圖MaxGain1里2.45GHz的marker），也就是返回為2.45GHz。第二個(gè)表達(dá)式：“circleData=ns_cirlce(NFmin[indx]+{0,0.1,0.2},NFmin[indx],Sopt[indx],Rn[indx]/50,51)”返回噪聲系數(shù)圓。第三個(gè)表達(dá)式：“GaCircle=ga_circle(S[indx],MaxGain1[indx]-{0,0.5,1,2,3},51)”返回增益圓。現(xiàn)在在數(shù)據(jù)顯示窗口里畫噪聲圓和增益圓，點(diǎn)擊史密斯圓圖圖標(biāo)從EquationDataset里面畫出GaCircle圓和circleData圓（圖5-46）：圖5-46畫出等式的曲線畫出來(lái)的史密斯圓圖如圖5-47：圖5-47circleData和GaCircle的smith圖圖5-？里面m4是LNA有最大增益時(shí)的輸入端阻抗，此時(shí)可獲得增益16.85dB；m5為L(zhǎng)NA有最小噪聲系數(shù)時(shí)的輸入端阻抗，此時(shí)可獲得最小噪聲指數(shù)為0.415dB。但是這兩點(diǎn)并不重合，即設(shè)計(jì)時(shí)必須在增益和噪聲指數(shù)之間作一個(gè)權(quán)衡和綜合考慮。對(duì)于低噪聲放大器，尤其是第一級(jí)放大器，首要考慮的是最小噪聲，所以這里優(yōu)先考慮噪聲，那么最終的最優(yōu)的輸入端阻抗就定為m5點(diǎn)的阻抗，其中定為50Ohm，輸入端阻抗就為23.596-j*20.681Ohm。這個(gè)時(shí)候增益肯定會(huì)下降，在等增益圓上加一個(gè)markm6，位置如上圖靠近m5點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候可以看到m5處的增益大約比m6點(diǎn)略小（m6處增益為15.85dB），這個(gè)增益仍然可以接為了達(dá)到最小噪聲系數(shù)，在晶體管的輸入端需要一個(gè)，而整個(gè)電路的輸入阻抗為，所以需要輸入匹配網(wǎng)絡(luò)把（為m5處阻抗的共軛，即為23.596+j*20.681Ohm）變換到輸入阻抗50Ohm。（如圖5-48）圖5-48輸入匹配框圖4.)ADS提供了很多的匹配工具，這里用Smith原圖匹配工具DA_SmithChartMatch。在SmithChart-Matchingnetwork里面放置DA_SmithChartMatch工具（如圖5-49）。圖5-49加入SmithChartMatching工具這個(gè)DA_SmithChartMatch使用時(shí)需要考慮方向（如圖5-50）：圖5-50SmithChartMatching的方向5.)原理圖如圖5-51：圖5-51加入SmithChartMatching的原理圖雙擊DA_SmithChartMatch的圖標(biāo)，彈出對(duì)話框，設(shè)置里面的參數(shù)（如圖5-52）：圖5-52設(shè)置SmithChartMatching的參數(shù)在這里，需要設(shè)置的參數(shù)主要有：Fp；因?yàn)樵醋杩篂閷?shí)數(shù)50Ohm，所以SourceType=Resistive，注意SourceEnable=True；負(fù)載阻抗因?yàn)闉樨?fù)數(shù)，所以LoadType=ComplexImpedance，注意LoadEnable=True，ZL為負(fù)載阻抗，設(shè)為我們上面得到的23.596-j*20.681Ohm。6.)點(diǎn)擊DesignGuide->amplifier。在工具里選擇SmithChartUtility。（如圖5-53）圖5-53選擇設(shè)計(jì)向?qū)Ю锏腟mithChartUtility工具7.)彈出SmithChartUtility對(duì)話框（如圖5-54）：圖5-54SmithChartUtility對(duì)話框如圖5-？所示，在SmartComponent中軟件會(huì)自動(dòng)選擇當(dāng)前的這個(gè)SmithChartMatching控件，即DA_SmithChartMatch1。在下面的設(shè)計(jì)中原理圖中會(huì)有多個(gè)SmithChartMatching，需要選擇當(dāng)前的SmithChartMatching控件。點(diǎn)擊DefineSoiurse/LoadNetworkTerminations按鈕，彈出NetworkTerminations對(duì)話框（如圖5-55），在這里可以設(shè)置源和負(fù)載的阻抗。圖5-55設(shè)置SmithChartUtility工具的阻抗在圖5-55里，需要把“EnableSourceTermination”、“EnableLoadTermination”、“InterpretasOutputImpedance”幾個(gè)單選框的勾都打上，其中“EnableSourceTermination”、“EnableLoadTermination”這兩個(gè)單選框是為了配合圖50SmithChartMatchingNetwork對(duì)話框的“SourceEnable=True”和“LoadEnable=True”，這樣在圖5-50里面設(shè)置的源和負(fù)載阻抗直接導(dǎo)入NetworkTermination對(duì)話框。設(shè)置完成后依次點(diǎn)擊Apply.和OK，可以看到SmithChartMarching如圖5-56：圖5-56設(shè)置完阻抗的SmithChartUtility8.)采用微帶線匹配如圖5-57：圖5-57SmithChartUtility中的微帶線匹配點(diǎn)擊對(duì)話框左下角的BuildADSCircuit，即生成相應(yīng)的電路。可以通過(guò)點(diǎn)擊的圖標(biāo)來(lái)看這個(gè)匹配電路（如圖5-58）：圖5-58匹配子電路仿真此時(shí)的原理圖，結(jié)果如圖5-59：圖5-59仿真結(jié)果從圖5-59里面可以看到在circleData圓里，m5點(diǎn)的阻抗正好匹配到50Ohm，此時(shí)在噪聲圖里面整個(gè)電路的噪聲系數(shù)nf(2)在2.45GHz處有最小值，且等于NFmin，說(shuō)明在這點(diǎn)上噪聲系數(shù)的確達(dá)到最優(yōu)化。9.)在晶體管輸入端的隔直電容會(huì)導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以需要把隔直電容移到源端。把隔直電容移到輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和源端Term之間（如圖5-60）圖5-60輸入匹配做好的原理圖1圖5-？里的噪聲最優(yōu)化點(diǎn)已經(jīng)偏離50Ohm，現(xiàn)在需要調(diào)節(jié)輸入匹配電路微帶線的長(zhǎng)度來(lái)補(bǔ)償這個(gè)改變。10.)通過(guò)把輸入子電路復(fù)制到原理圖里面去（如圖5-61）：圖5-61輸入匹配做好的原理圖211.)可以使用tuning的工具來(lái)調(diào)節(jié)兩段傳輸線的長(zhǎng)度（現(xiàn)在原理圖中輸入匹配電路的微帶線顯示的是電長(zhǎng)度，就是E）。雙擊傳輸線，在對(duì)話框里面打開Tuning功能（如圖5-62）。圖5-62設(shè)置微帶線的tuning功能在圖5-60里面，因?yàn)樾枰{(diào)節(jié)的是長(zhǎng)度（電長(zhǎng)度E），所以要選中E，點(diǎn)擊“Tune/Opt/Stat/DOESetup”按鈕，在接下來(lái)彈出的對(duì)話框（圖60右圖）中把“TuningStatue”設(shè)為“Enabled”。一般使用它自動(dòng)設(shè)置的變化范圍和步長(zhǎng)，也可以手動(dòng)調(diào)整。點(diǎn)擊圖標(biāo)，開始tuning（如圖5-63）：圖5-63Tuning在一邊Tuning的時(shí)候可以一邊觀察數(shù)據(jù)顯示窗口的相關(guān)曲線的變化，以達(dá)到理想效果。最后，把TL3和TL4的電長(zhǎng)度分別調(diào)到25.3834度和44.31度，可以得到一個(gè)較小的噪聲系數(shù)和輸入反射系數(shù)（dBS11），結(jié)果如圖5-64和圖5-65：圖5-64Tuning后的仿真結(jié)果1圖5-65Tuning后的仿真結(jié)果2增益可以由輸出匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)改善。在一個(gè)低噪聲放大器里面只有輸入匹配電路對(duì)噪聲系數(shù)有影響，輸出匹配電路對(duì)噪聲沒有影響。所以在輸出匹配里面主要考慮增益。6、最大增益的輸出匹配1.)輸出端的匹配需要已知此時(shí)晶體管輸出端阻抗。在剛才的原理圖里加了Zin的控件并改為輸出阻抗（如圖5-66）：圖5-66加入Zin控件并改為輸出阻抗（注意：Zin控件默認(rèn)的設(shè)置是Zin=zin（S11，PortZ1），這看的是輸入端阻抗，把它如圖64改為Zin=zin(S22,PortZ2)即為輸出端阻抗S22。）在數(shù)據(jù)顯示窗口里面點(diǎn)擊RectangularPlot，選擇Zin2的實(shí)部和虛部（如圖5-67），圖5-68為顯示的曲線：圖5-67在數(shù)據(jù)顯示窗口中打開Zin控件的曲線圖5-68輸出阻抗的曲線從圖5-68中可以看到輸出阻抗為52.486-j*36.889Ohm（即S22），輸出匹配電路即按照這個(gè)來(lái)設(shè)計(jì)。2.)為了達(dá)到最大增益，輸出匹配電路需要把50Ohm匹配到Zin2的共軛（如圖5-69）。圖5-69輸出匹配的框圖同樣使用DA_SmithChar