基于ADS宽频低噪声放大器的的毕业设计.doc

大学本科生毕业设计论文基于ADS宽频低噪声放大器的设计摘要选用噪声较小、增益较高且工作电流较低的放大管ATF55143，利用两种负反馈和宽带匹配技术，结合ADS软件的辅助设计，研制出宽带低噪声放大器该放大器成本较低，体积较小，可应用于各种微波通讯领域介绍了射频宽带放大器的设计原理与流程设计实现的射频宽带低噪声放大器，采用分立器件和微带线匹配，选用Agilent公司生产的低噪声增强赝配高电子迁移率晶体管ATF55143，用ADS软件进行设计、仿真和优化由于设计频带覆盖了多个通信常用频点因此决定此低噪声放大器的应用会十分广泛最后利用Protel99软件对电路进行了版图设计，并在FR4基板上实现了该设计，给出了设计结果为了降低接收前端的噪声，设计并制作一种超宽带低噪声放大器基于负反馈技术和宽带匹配技术，利用Avago ATF-54143 PHEMT 晶体管设计了放大器电路运用ADS2009 对重要指标进行仿真与优化实测结果表明，在0.1~2.0 GHz 围，其增益大于36 dB，平坦度小于±3 dB，噪声系数小于1.2 dB，工作电流小于60 mA，驻波比小于1.8该放大器性能良好，满足工程应用要求，可用于通信系统的接收机前端。

/ 关键宇：低噪声放大器；噪声系数；匹配；电子技术；超宽带；微波通讯；超宽带；负反馈Design of wideband low noise amplifier based on ADS software simulationAbstractA new ultra-broad band low noise amplifier (LNA) was developed to use ATF55143 amplifier tube which haslow noise、high gain and low operating current, based on two negative feedbacks and wideband impedance matchingtechnologies and ADS software subsidiary design. This LNA can be widely used inmicrowave communication areas.Design philosophy of the RF wide-band low noise amplifier is presented．The fabricated low noise amplifier is cascaded with both of detached devices and micro-strip matching network．This design uses the chip of Agilent PHEMT ATF-551M4andis simulated with Agilent ADS software． This LNA is fabricated on the FR4 with PCB drawn by Protel99se．The final test data is also provided．To reduce the noise of receiving front-ends，the design and fabrication of an ultra-wideband Low Noise Amplifier(LNA)，were presented based on negative feedback and wide band matchingtechnologies. The amplifier tube ATF-54143 made by Avago was chosen for this design，whose key indexeswere simulated and optimized by using ADS2009. The test results indicate thatthe LNA shows the gain above 36 dB, flatness below ±3 dB, operatingcurrent below 60 mA and noise figure less than 1.2 dB, with low cost and small volume. The good performance of this amplifier satisfies the requirement of engineering application，and it can beapplied to the receiver front-end of communication systems.Keywords：low noise amplifier；noise figure；match；electron technology; ultra-broad band; microwave communication；ultra-wide band； negative feedback.目录摘要第一章 前言 …………………………………………………………………………… (1)1.1 低噪声放大器的简介 ………………………………………………………………… (1)1.2 低噪声放大器的发展现状 …………………………………………………………… (1)1.3 本课题的研究方法与主要工作 ……………………………………………………… （2）1.4 ADS软件的介绍 ……………………………………………………………………… （2）1.5 小结 …………………………………………………………………………………… （3）第二章 晶体管ATF55143小信号模型的提取 ……………………………………………（4）2.1 小信号模型的意义和作用 ……………………………………………………………（4）2.2 ATF55143的静态工作点 ………………………………………………………………（4）2.2.2 直流分析DC Tracing ………………………………………………………………（5）2.3 偏置电路的设计 ………………………………………………………………………（9）2.4 小信号模型的提取 ………………………………………………………………… （11）2.4.1小信号模型的提取的案 ……………………………………………………………（12）2.4.2小信号模型提取的步骤 …………………………………………………………… （15）3 低噪声放大器的设计 ………………………………………………………………… （23）3.1 低噪声放大器电路设计与仿真…………………………………………………… （23）3.1.1 设计目标以与器件和偏置条件选定 …………………………………………… （23）3.1.2 基于ADS宽频低噪声放大器的设计方案 ………………………………………… （23）3.1.3 稳定性分析 ……………………………………………………………………… （24）3.2 偏置电路以与负反馈电路的设计………………………………………………… （25）3.2.1 偏置电路 ………………………………………………………………………… （25）3.2.1 负反馈电路 ……………………………………………………………………… （26）3.3 阻抗匹配…………………………………………………………………………… （29）3.3.1 微带线匹配…………………………………………………………………… （29）3.3.2 分立LC阻抗匹配网络………………………………………………………… （32）3.4 整体电路的仿真与分析………………………………………………………… （36）3.5 PCB的设计与其电路的仿真……………………………………………………… （38）3.6小结 ………………………………………………………………………………… （38）参考文献 ………………………………………………………………………………… （41）1 前言1.1 低噪声放大器简介低噪声微波放大器（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、测绘、电视与各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要电路。

低噪声放大器位于射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行小信号放大前级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决定对后级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影响对低噪声放大器的基本要：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、足够的带宽和大的动态围 Advanced Design System(ADS)软件是Agilent公司在HP EESOF EDA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1.2低噪声放大器的发展现状从上个世纪60年代中期开始，由于平面外延工艺的发展，双极晶体管的工作频率跨进微波频段，平面外延晶体管的工作频率达到1GHz以上，出现了微波双极晶体管与其相应的放大器，而同时伴随着场效应晶体管（FET）理论的提出，包括金属绝缘栅半导体FET (如MOSFET) 、结型场效应晶体管(JFET) 、金属半导体场效应管(MESFET) 和近代的异质结场效应管(Hetero-FET) ,如HEMT等随之出现。

近几年来，随着材料生长技术（比如分子束外延和分子化学蒸发沉积）和新型器件结构可靠性的提高，开始从更高的输出功率和效率方面改善器件的功能这种新的技术发展水平功率GaAsHFET器件拥有基于异质结化合物AlGaAs 、GaAs InGaP、 GaAs、InAlAs、InGaAs的结构双极结型晶体管器件被引入异质结结构制成HBT目前微波 HBT 的截止频率达到了200 GHz ,因此在微波、低噪声、超高速与低功耗方面具有很大的优越性异质结不但能够构成双极型晶体管,还可以构成场效应晶体管,即异质结场效应管(HFET) 这种器件提供高栅漏和栅源击穿电压，门偏压降低到夹断电压接近恒量的跨导，适度高的最大沟道电流能够得到高效率的器件推动高电子迁移率晶体管（HEMT）的问世，其低噪声性能比场效应管更优越并大量投入商用[3]在C波段其噪声温度可达25K左右，广泛应用于卫星接收目前国外8mm以下的HEMT己商品化，在极低噪声的许多应用领域已取代GaAs MESFET，而且在微波/毫米波功率应用中也越来越引人注目由于HFET在工艺制造过程中要精确控制薄层结构、陡峭的掺杂梯度以与采用更难加工的半导体材料,制造一个HEMT要比GaAs MESFET的花费昂贵得多,随着技术的进步和科技的发展,人们对高性能低成本的HEMT需求更大。

很多公司为了满足这一需求,除了在技术方面投资以外,逐渐开始在提高HEMT性价比上增加投入值得注意的是，国外单片集成(MMIC)微波器件发展很快，这是一种在几平方毫米砷化镓基片上集成的微波放大器，其体积小、噪声系数一般增益高1996年，TRW公司K.W Kabayashi等人研制出了S波段的HEMT—HBT单片集成接收机该系统包括一个二级HEMT低噪声射频放大器、一级HEMT本征放大器和HBT双平衡混频器，三者均集成在同一片材料上，该HEMT—HBT的MMIC系统利用HEMT—HBT选择性MBEIC技术，代。