基于ADS的低噪声放大器设计与仿真(000001).doc

基于ADS的低噪声放大器设计与仿真 一、实验背景和目的 41.1 低噪声放大器 41.1.1 概念 41.1.2 重要功能 41.1.3 重要应用领域 51.2 低噪声放大器的研究现状 51.3 本实验报告的重要研究内容和内容安排 6二、 低噪声放大器的原理分析与研究 72.1 低噪声放大器的基本构造 72.2 低噪声放大器的基本指标 72.2.1 噪声系数 82.2.2 增益 92.2.3 输入输出驻波比 92.2.3 反射系数 92.2.4 放大器的动态范畴（IIP3） 102.3 低噪声放大器设计设计的基本原则 102.3.1 低噪声放大管的选择原则 102.3.2 输入输出匹配电路的设计原则 10三、低噪声放大器的设计 143.1 放大器设计的重要流程 143.2 低噪声放大管的选择 153.3 稳定性计算 163.4 输入输出匹配电路电路设计 173.5 偏置电路 183.6 电路中需要注意的某些问题 18四、设计目的 20五、ADS软件仿真设计和结论 215.1 ADS仿真设计 215.1.1 直流分析DC TRacing 215.1.2 偏置电路的设计 215.1.3稳定性分析 225.1.4噪声系数园和输入匹配 225.1.5最大增益的输出匹配 255.2 结论分析 30需要仿真源文献，请在空间留言一、设计的背景和目的1.1 低噪声放大器在无线通信系统中，为了提高接受信号的敏捷度，一般在接受机前端放置低噪声放大器用来提高增益并减少系统的噪声系数。

1.1.1 概念低噪声放大器是噪声系数很低的放大器一般用作各类无线电接受机的高频或中频前置放大器，以及高敏捷度电子探测设备的放大电路在放大单薄信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰也许很严重，因此但愿减小这种噪声，以提高输出的信噪比由放大器所引起的信噪比恶化限度一般用噪声系数 F来表达抱负放大器的噪声系数 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的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 参放的 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如下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于 2 分贝放大器的噪声系数还与晶体管的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的状况下，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的规定，常采用共发射极一共基极级联的低噪声放大电路1.1.2 重要功能随着通讯工业的飞速发展，人们对多种无线通讯工具的规定也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范畴大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接受敏捷度提出了更高的规定，我们懂得，系统接受敏捷度的计算公式如下： S=-174+ NF+10㏒BW+S/N 由上式可见，在多种特定（带宽、解调S/N已定）的无线通讯系统中，能有效提高敏捷度的核心因素就是减少接受机的噪声系数NF，而决定接受机的噪声系数的核心部件就是处在接受机最前端的低噪声放大器。

低噪声放大器的重要作用是放大天线从空中接受到的单薄信号，减少噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，因此低噪声放大器的设计对整个接受机来说是至关重要的1.1.3 重要应用领域低噪声放大器可以使接受机接受的的单薄信号放大，并减少噪声的干扰，无失真的将信号放大传给下一级电路，是通信系统中重要的前端必备电路，因此低噪声放大器广泛应用于微波通信、GPS接受机、遥感遥控、雷达、电子对抗及多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的重要电路1.2 低噪声放大器的研究现状随着半导体器件的发展，低噪声放大器的性能不断提高，采用PHEMT 场效应晶体管的低噪声放大器的在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的三电极半导体器件,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、集成化推动.基本作用是放大器，已基本上取代了参放.部分地替代行数.在其他电路中也可使用,如:混频器,倍频器,振荡器,开关等. 目前,广泛应用及有前景的元件重要有如下五种.◢BJT双极结晶体管是一般三极管向射频与微波频段的发展。

使用最多的等效电路模型是Gummel-Poon模型，之后浮现了VBIC模型，MEXTRAM模型和Philips模型VBIC模型是Gummel-Poon模型的发展伸；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如下频段应用的越来越多 双扩散金属氧化物半导体DMOS是CMOS晶体管向高频的发展,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的非线性模型Bi-CMOS, Bi-CMOS模型涉及了同一硅片上的BJTs ,N型MOSFET和P型MOSFET.模型◢MESFET金属半导体场效应管是在GaAs基片上上同步实现肖特基势垒结和欧姆接触这是一种受栅极电压控制的多数载流子器件这种器件的非线性模型MESFET/HEMT由几种出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诸多场合下已经取代了MESFET器件1980年提出的这种器件，近几年来才有大量工程应用PHEMT是点阵匹配的伪HEMT器件，MHEMT是多层涂层构造的变形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的发射效率于1965年提出，经历了漫长的发展工程，而1985年浮现的 SiGe BJT 最大结温Tj,max仅为155℃呈现出良好的微波特性自1988年以来，微波半导体器件的性能得到了迅猛的发展，增益高，噪声低，频率高，输出功率大技术的进步，模型的完整使得PHEMT器件成为2GHz无线电系统的主力器件不断浮现的新材料带来微波器件材料日新月异发展SiC和GaN的发明已经使得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 接受机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及多种高精度的微波测量系统中，是必不可少的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、集成化和原则化发展1.3 本实验报告的重要研究内容和内容安排本实验报告的将基于ADS仿真设计低噪声放大器，并优化电路构造，最后设计出符合各项指标基于ATF54143场效应管的低噪声放大器本文研究的重要内容安排如下：◢分析一般低噪声放大器的基本构造和各项基本指标，低噪声放大器的一般设计过程◢选择本文设计的低噪声放大器的晶体管，并初步设计低噪声放大器的匹配网络和偏置电路，稳定性的解决措施。

◢运用ADS软件仿真设计低噪声放大器，并完毕电路图的设计二、 低噪声放大器的原理分析与研究 2.1 低噪声放大器的基本构造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构成低噪声放大器基本构造构造图，如图2.1所示输出匹配网络微波晶体管放大器输入匹配网络图2.1 低噪声放大器的基本构造输入匹配网络和输出匹配网络作为放大器的匹配电路，用于实现放大器的最佳源匹配和共轭匹配一般采用电感，电容或微带线来完毕匹配电路晶体管是放大器的核心器件，所有的外部电路都是为了实现晶体管的更好的发挥功能，实现放大器的低噪声，合适的增益和稳定性2.2 低噪声放大器的基本指标低噪声放大器的二端口网路的基本构造图，如图2.2所示晶体管放大器输入匹配网络输出匹配网络50W50WGSGLGinGoutVSWRinVSWRout图2.2 二端口网络构造图2.2.1 噪声系数噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： NF= （2-1）对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： （2-2）其中 Fmin为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子自身决定的， Γopt、Rn 和Γs分别为获得 Fmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。

对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： NF=NF1+(NF -1)/G1+(NF -1)/G1G +…… （2-3）其中NFn为第n级放大器的噪声系数，Gn 为第n级放大器的增益在某些噪声系数规定非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表达很不以便，常常用噪声温度来表达，噪声温度与噪声系数的换算关系为： Te = T0 ( NF – 1 ) （2-4）其中Te 为放大器的噪声温度，T0 =2900 K，NF为放大器的噪声系数NF(dB) = 10LgNF （2-5）2.2.2 增益放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值： G=Pout / Pin (2-6)从(2-3)的计算公式中可见，提高下噪声放大器的增益对减少整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接受机的动态范畴因此，一般来说低噪声放大器的增益拟定应与系统的整机噪声系数、接受机动态范畴等结合起来考虑。

2.2.3 输入输出驻波比低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配状况，我们在设计低噪声放大器的匹配电路时，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，因此，低噪声放大器的输入端总是存在某种失配这种失配在某些状况下会使系统不稳定，一般状况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等其她措施来解决输入输出驻波比计算公式：VSWR= (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的比值，体现公式为：= (2-8)当Γs = Γopt 时，放大器的噪声系数最小，NF=NFmin ，但此时从功率传播的角度来看，输入端是失配的，因此放大器的功率增益会减少，但有些时候为了获得最小噪声，合适的牺牲某些增益也低噪声放大器设计中常常采用的一种措施 2.2.4 放大器的动态范畴（IIP3）在低噪声放大器的设计中，应充足考虑整个接受机的动态范畴，以免在接受机后级导致严重的非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点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，低噪声放大器的工作频率、工。