低噪声放大器LNA设计步骤和ADS仿真

本文详细介绍了利用ADS进行低噪声放大器(LNA)设计的步骤,包括确定静态工作点、BJT基极电流控制、基极分压偏置电路、稳定性分析以及等增益圆和等噪声圆的仿真。通过这些方法,设计师可以在ADS中有效地折衷选择性能参数以优化LNA的性能。

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一、LNA的设计步骤
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二、ADS仿真低噪声放大器LNA
放大电路的 S 参数,稳定性,增益圆,噪声圆均可以通过 ADS 进行仿真,特别是在稳定性,增益与噪声的折中选择方面, ADS 仿真起着重要的作用。当然, ADS 仿真还包括最基本的直流仿真。
2.1 静态工作点的确定
LNA属于小信号放大器,一般工作于A类线性放大器状态。在设计之初需要确定的重要参数是Ic/Is和Vce/Vds。对于LNA来讲,Ic/Is和Vce/Vds的大小会影响它的增益、1dB压缩点、三阶交截点、噪声系数等,因此需要根据要求对电流和电压折衷考虑。
BJT是电流控制电流器件,因此为得到所需要的集电极电流Ic,首先需要知道基极电流Ib需要多大。ADS提供了一个模板,可以非常方便地插入到原理图中然后仿真。图1为仿真原理图,图2为仿真得到的直流特性曲线。
图 1 BJT 的直流特性曲线仿真
图 1 BJT 的直流特性曲线仿真
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图 2 BJT 直流特性仿真曲线
2.2 固定基极电流电路(BJT)
为得到 45uA 的基极电流,使用一个系统电源(如常用的 3.3V)时最简单的方法就是固定基流,如图所示
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2.3 基极分压偏置电路
在模拟电路中有“基极分压射极偏置电路”,即在图(a)电路的射极再串联一个电阻RE。这样的电路也有着稳定直流工作点的特性,当射极电阻上的电压比较大(一般与三极管的VBE接近)时其作用越明显。不过在系统电压比较低的场合这个电压会降低放大器的输出范围。
这里也可以考虑引入一个反馈电阻RF来稳定直流工作点,如图(b)所示。
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根据以上步骤得出各电阻初始值后可以在 ADS 中仿真以观察其直流工作点, 如图所示。
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图 BJT 的直流工作点仿真
2.4 稳定性
稳定性是设计放大器必须考虑的一个因素。如果晶体管并非绝对稳定,那么需要采取一些增加稳定性的方法,或者画出稳定性圆,然后选择合适的阻抗。
下图为BF776稳定性验证的原理图和稳定系数mu。可见,在5GHz以下mu<1,该器件是条件稳定的,所以需要采取一些措施来增强稳定性。
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图 BF776 的稳定性验证原理图
2.5 等增益圆和等噪声圆
在 ADS 中,可以添加等增益圆和等噪声圆的控件来对增益和噪声进行仿真。如下是 BF776 在上述直流偏置下, 2412MHz 频点的仿真情况:
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图 BF776 等增益圆和等噪声圆仿真原理图
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图 BF776 等增益圆
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图 BF776 等噪声系数

### ADS低噪声放大器(LNA)设计中的MOSFET应用 #### 设计目标 对于工作于433 MHz的LNA,主要性能指标包括增益大于15 dB以及最小噪声系数小于0.5 dB。这些参数确保了信号的有效放大同时保持较低水平的内部噪音引入[^1]。 #### MOSFET的选择与特性 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),特别是增强型n沟道器件,在射频(RF)电路中广泛应用由于其高跨导(gm)、低噪声特性易于集成的优势。当选用MOSFET作为有源元件构建LNA时,需仔细考虑栅极阈值电压(Vth)、最大振荡频率(fmax)以及其他关键电气参数来满足特定的应用需求[^2]。 #### 关键设计流程 - **下载并安装晶体管模型库** 安装所选MOSFET制造商提供的SPICE模型文件到Advanced Design System (ADS)环境中,以便后续精确建模仿真。 - **直流偏置设置** 利用DC操作点分析确定最佳静态工作点(Q-point),使得MOSFET处于饱区以获得线性度良好的放大效果。这一步骤通常涉及调整电源电压Vdd,栅源间电压Vgs等变量直至达到理想的电流Ids漏源电压Vds组合. - **稳定性保障措施** 考虑到RF放大器容易受到寄生反馈的影响而变得不稳定,因此采取适当的方法如添加相位补偿网络(由LC组成的π形或T形结构)可以有效改善系统的稳定裕量而不显著影响整体性能表现[^3]. - **噪声优化策略** 针对MOSFET本身固有的热噪声贡献部分,可通过精心挑选外围组件参数使输入阻抗匹配至最优状态从而降低总噪声指数(Fmin). - **增益最大化配置** 输出端口处合理布置微带传输线或者集总元件构成宽带匹配网络,旨在提升功率传递效率的同时兼顾平坦度控制,最终达成预期的增益规格要求. ```matlab % MATLAB代码片段用于计算基本的S参数 s_params = sparameters('your_mosfet_model.s2p'); rfplot(s_params); ```
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