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1、低噪声放大器设计Studentss Names23/23低噪声放大器设计摘要低噪声放大器（LNA）是接收机的第一级有源电路，它本身应该有很低的噪声并提供足够的增益以抑制后续电路的噪声。由于接收机的输入信号变化范围可以达到 80dB以上，如从几个微伏的小信号到几十毫伏的大信号，低噪声放大器应同时具备放大小信号和接受大信号的能力。为了将小到几个微伏的输入信号放大到一定程度而不被噪声淹没，LNA本身应具有很小的噪声和足够的增益。为了接受大信号而不产生失真，LNA应有良好的线性度。本次设计使用AWR MWO设计软件设计，LNA采用的晶体管为MGF4921AM，两级结构，电路基板为Ro4003C （厚度
2、： 0.5mm ），中心频率为3.5GHz ，带宽为 400MHz，在中心频率处的增益为26.638dB，平坦度为0.711dB，带内驻波比小于2，噪 声系数为1.172dB3.52GHz，1.066dB3.28GHz，1.308dB3.72GHz。目录摘要21. 设计、仿真和电路实现41.1 设计指标41.2 设计方法简述41.3 仿真过程和结果51.4 版图设计和实物152. 测试过程、结果及分析182.1 测试环境和过程182.2 测试结果和分析183. 总结23致谢23参考文献23作者简介231. 设计、仿真和电路实现本次设计的为中心频率为3.5GHz的低噪声放大器，设计中对放大器的增
3、益、带内平坦度和噪声系数进行了仿真和测试，并同时测试了输入驻波比、增益压缩和互调特性。1.1 设计指标设计指标要求：晶体管：MGF4921AM，采用两级结构，微带基片：Ro4003C，板厚0.5mm，中心频率3.5GHz，带宽大于10%，NF小于1.5，增益大于25dB，带内平坦度 1dB，输入驻波小于2。1.2 设计方法简述低噪声放大器是接收机的第一级有源电路，它本身应有很低的噪声并提供足够的增益以抑制后续电路的噪声。电路的噪声来源于首先是信号源内阻及匹配电路的电阻热噪声，如串联电容的寄生电阻噪声，再次就是晶体管的栅极电阻热噪声、沟道热噪声和闪烁噪声。噪声系数的定义为总的输出噪声功率除以信号
4、源噪声产生的输出噪声功率，如F = Nout ,totalNout ,source由于要采用两级结构，计算两级级联后的噪声系数图1 两级级联1F= F + F2 -1Gtotal1此式是考虑输入输出都完全匹配时得出的，即系统完全匹配。由看出要想实现低噪声系数必须前级的噪声系数很小，因为级联后的噪声系数由前级决定，所以设计时，采用了前级放大器为输入端匹配到最小噪声系数时的输入反射系数，而输出端实现最大增益匹配，即共轭匹配。对于第二级，就采用最大转换功率增益匹配，即输入输出同时共轭匹配。然后将两级级联即可。1.3 仿真过程和结果本次设计中，提供的晶体管是MGF4921AM，由于低噪声放大器接受的都
5、是小信号，所以在设计时只考虑晶体管的小信号模型，即线性模型。因此我先从网上找到晶体管的datasheet，从中作出它的s2p文件如下：!MGF4921AM(8/May/2011)!Condition:Freq.=2 to 6GHz, VDS=2V, ID=15mA, Ta=25deg.!Substrate:Ro4003C(er=3.55, 0.5mm)!# GHz S MA R 50!fS11S21S12S22! (GHz)Magn.AngleMagn.AngleMagn.AngleMagn.Angle20.851-61.96.821126.70.06655.40.313-54.22.20.8
6、26-68.46.756121.70.07252.50.308-58.82.40.804-74.06.578117.20.07749.70.298-63.92.60.789-78.56.248113.40.08246.30.292-70.92.80.762-84.76.160108.70.08544.50.270-74.730.734-91.76.063103.80.09041.90.262-80.63.20.716-96.85.857100.00.09439.40.255-85.93.40.701-102.05.66196.20.09736.60.246-92.53.60.677-107.8
7、5.54491.90.10034.80.231-97.33.80.657-113.25.39788.00.10432.70.223-101.940.643-118.75.24484.20.10730.50.217-107.54.20.629-123.85.07680.70.10928.20.210-113.84.40.612-129.24.96576.80.11226.50.198-119.44.60.599-134.54.82673.20.11524.60.194-124.84.80.587-139.94.69269.70.11722.60.190-130.750.578-144.64.55
8、766.40.11920.70.185-136.95.20.570-149.64.43563.00.12219.00.180-143.55.40.561-155.04.32659.60.12417.10.178-149.45.60.554-159.84.20756.40.12615.40.175-154.75.80.549-164.84.09653.20.12813.60.175-161.760.543-169.93.99349.90.13011.90.177-167.5! Noise params20.330.79712.70.202.20.330.77215.30.192.40.350.7
9、4718.20.192.60.330.72221.10.182.80.320.69824.30.1730.340.67427.70.163.20.360.65231.30.163.40.310.63035.10.153.60.320.61039.00.143.80.320.59243.20.1340.350.57647.50.134.20.340.56152.00.124.40.350.54956.60.124.60.360.53961.50.114.80.340.53266.40.1050.350.52871.60.105.20.330.52776.80.095.40.360.52982.3
10、0.095.60.370.53587.90.085.80.360.54593.60.0760.380.55999.40.07将此文件加载到AWR软件的Data Files中，然后从Elements中的子电路中调出相应元件，并把改成FET模型。然后就是做第一级放大器的偏置电路，其中要考虑电路的稳定性，如下图所示图2 第一级的偏置电路其中的电阻是起稳定作用的。下面是做输入输出匹配，做输入匹配时，要从软件中算出噪声系数最小时的Gsopt ，用此值作出的匹配电路如下：图3 第一级输入匹配电路输出匹配电路实现的是共轭匹配，如下：图4 第一级输出匹配电路第一级整体电路的仿真图5 第一级放大器电路第一级放大
11、器的S11和S21仿真结果如下图图6 第一级放大器的S11和S21第二级放大器跟第一级电路一样偏置也加入了稳定电阻，输入输出共轭匹配。以下各图分别为第二级放大器的偏置电路和输入输出匹配电路。图7 第二级放大器的输入匹配图8 第二级放大器的输出匹配图9 第二级放大器的偏置第二级放大器的整体电路如下图：图10 第二级放大器电路第二级放大器的S21仿真结果如下：图11 第二级放大器的S21仿真结果第二级放大器做完后，就是将两级电路级联仿真，并且对级联后的电路进行EM仿真，此时使用了MWO软件的EXTRACT，对电路的匹配部分做电磁仿真，如下图所示：EXTRACT ID=EX1EM_Doc=EM_Ex
12、tract_Doc Name=EM_Extract Simulator=AXIEM X_Cell_Size=1 mm Y_Cell_Size=1 mm STACKUP=Override_Options=Yes Hierarchy=Off SweepVar_Names=STACKUPName=SUB2MLINCHIPCAP ID=C5 C=47 pFCHIPCAPCHIPCAPCHIPCAP ID=C2MLINMBENDA ID=TL34 W=0.6 mm ANG=90 DegMBENDAMLIN ID=TL38 W=0.6 mmCHIPCAP ID=C11 C=47 pF Q=605FQ=0.
13、15 GHzCHIPCAP ID=C8 C=100 pFID=TL32Q=605ID=C14ID=C13C=10 pFID=TL35ID=TL37L=1 mmFR=1.436 GHz Q=376.1MBENDAW=0.6 mmFQ=0.15 GHzC=100 pFC=100 pFQ=267.6W=0.6 mmW=0.6 mmALPH=-1FQ=0.15 GHzMBENDAID=TL30L=3.593 mmFR=1.436 GHz Q=376.1Q=376.1FQ=0.5 GHzL=2 mmANG=90 DegTolerance=47pF 1 % FR=0.9999 GHzID=TL28W=0.
14、6 mmALPH=-1FQ=0.15 GHzFQ=0.15 GHz FR=3.018 GHzALPH=-1W=0.6 mmANG=90 DegTolerance=47pF 1 % FR=0.9999 GHzFR=0.9999 GHz ALPH=-1MLINCHIPCAP ID=C15 C=100 pF Q=376.1 FQ=0.15 GHzFR=0.9999 GHz ALPH=-1CHIPCAP ID=C1 C=47 pF Q=605FQ=0.15 GHz FR=1.436 GHz ALPH=-1Tolerance=47pF 1 %MLIN ID=TL29 W=0.6 mm L=3.7 mmA
15、NG=90 DegMLIN ID=TL26 W=0.6 mmL=2 mmMLIN ID=TL31 W=0.6 mmL=2 mmMLIN ID=TL8CHIPCAP ID=C4 C=10 pF Q=267.6FQ=0.5 GHz FR=3.018 GHzALPH=-1ALPH=-1Tolerance=10pF 1 %CHIPCAP ID=C7 C=47 pF Q=605FQ=0.15 GHz FR=1.436 GHzMLIN ID=TL33 W=0.6 mmL=2 mmMLINID=TL36 W=0.6 mmL=2 mmMLIN ID=TL20 W=0.6 mm L=13.2 mmMCROSSC
16、HIPCAP ID=C9 C=10 pF Q=267.6FQ=0.5 GHz FR=3.018 GHz ALPH=-1Tolerance=10pF 1 %MSUB Er=3.38 H=0.5 mm T=0.035 mm Rho=0.7 Tand=0.0029 ErNom=3.55 Name=SUB1MLIN ID=TL1 W=0.6 mm L=13.2 mmCHIPCAP ID=C3 C=10 pF Q=267.6FQ=0.5 GHzFR=3.018 GHz ALPH=-1Tolerance=10pF 1 % MLINRESW=0.6 mm ALPH=-1L=13.2 mm Tolerance
17、=10pF 1 %MCROSS ID=TL27 W1=1.1 mm W2=0.6 mm W3=1.1 mm W4=1.1 mmMLINMTEE ID=TL12MLINCHIPCAP ID=C6 C=0.7 pF Q=1417 FQ=0.5 GHzMLINALPH=-1Tolerance=47pF 1 %MTEE ID=TL25MLINID=TL18 W=0.6 mm L=13.2 mmSUBCKTMLIN ID=TL23 W=1.1 mm L=1.1 mmRES ID=R3 R=39 OhmMLIN ID=TL21 W=1.1 mmL=13 mmID=TL9 W1=1.1 mm W2=0.6
18、mm W3=1.1 mm W4=1.1 mm21 3MLIN ID=TL17 W=1.1 mm L=10.9 mmCHIPCAP ID=C12 C=1.3 pF Q=964.8 FQ=0.5 GHz FR=8.03 GHz ALPH=-1Tolerance=1.3pF +/- 0.1pFMLIN ID=TL40 W=1.1 mmL=7 mmPORTMLIN ID=TL39CHIPCAP ID=C10 C=1.2 pF Q=1014 FQ=0.5 GHzMLIN ID=TL6MTEE ID=TL5 W1=1.1 mmMLIN ID=TL3SUBCKT ID=S1ID=TL7 W=1.1 mm L
19、=1.1 mm2ID=R2 R=30 Ohm12ID=TL11W=1.1 mm L=6.1 mm3W1=1.1 mm W2=1.1 mm W3=1.1 mmID=TL14 W=1.1 mm L=7.4 mmFR=10.81 GHz ALPH=-1Tolerance=0.7pF +/- 0.1pFID=TL22 W=1.1 mm L=6.1 mmW1=1.1 mm W2=1.1 mm W3=1.1 mmID=TL19 W=1.1 mm L=5.1 mmID=S22NET=mgf4921am_sp_vd2id15_08051632 1 14MLEFPORT P=2Z=50 OhmP=1Z=50 O
20、hmW=1.1 mmL=7 mmFR=8.344 GHzALPH=-1Tolerance=1.2pF +/- 0.1pFW=1.1 mm L=9.4 mmW2=1.1 mm W3=1.1 mm1 23MLEF ID=TL4 W=1.1 mm L=8.6 mmW=1.1 mm L=7.4 mm32 1MTEE ID=TL2 W1=1.1 mm W2=1.1 mm W3=0.6 mmNET=mgf4921am_sp_vd2id15_080516134MLEF ID=TL10 W=1.1 mm L=7.3 mm31 2MLEF ID=TL13 W=1.1 mmL=2 mm31 2MLEF ID=TL
21、15 W=1.1 mm L=5.1 mmMTEE ID=TL24W1=1.1 mm3W2=1.1 mm W3=0.6 mmID=TL16 W=1.1 mm L=7.4 mm图12 两级级联结构电磁分析部分如图：9213846 75图13 电磁分析部分结构使用电磁分析控件对以上结构进行剖分分析：图14 电磁剖分结果由图中可见，在进行网格剖分时，不仅是对信号走线进行了剖分，而且对周围的地和过孔都进行了剖分，这样有利于真实的模拟实际情况，可以充分分析电路之间的耦合，优于单纯依靠微带的解析形式模型设计电路的方法。在进行EM仿真时，剖分网格单元的大小，影响了仿真的精度和速度，在咨询了AWR应用工程师后，
22、了解到通常的单元设置在分析电路的最小线宽的1/3到1/5之间。在应用工程师指导下，学习了 MWO中一种简化仿真过程的规则，使用此规则可以简化对过孔的分析，尤其是在分析 GCPW时，可以将CPW导带两边的接地孔简化为接地墙，这样大大的简化了剖分和电磁计算的过程。一下是使用简化规则和未使用的比较：图15 使用简化规则的剖分结果图 16 未采用简化规则的 EM 仿真信息图17 使用简化规则的EM仿真信息图16和图17的比较可知，简化后位置参量和仿真时间都有所减少，仿真结果没有影响，但是这种简化只是使用于对于过孔没有要求的场合的仿真，对于SIW结果的器件采用这种规则，仿真出的结果和实际情况相差甚远。考
23、虑到高阻抗线后接的电容的自谐振频率问题，所以将它们都用扇形电容来代替，然后进行仿真优化。以下为整体的电路图：图18 两级级联电路由图可见此时的漏极偏置位置挪到了电阻后边，这是考虑到稳定后采取的措施，另外分别在输入输出端分别又加了一段50欧姆微带，以便用于焊接SMA测试接头。优化电路稳定性的仿真结果如下：图19 稳定性仿真可以看出在2-6GHz（由于s2p文件中只有这个频段），电路是稳定的。优化后低噪放S21和S11仿真结果：图20 LNA的S21仿真结果图21 LNA的S11和S22仿真结果由图中可以看出增益和带内平坦度都达到要求，输入端驻波比小于2，满足设计要求。然后仿真了放大器的噪声特性，
24、结果如：图22 LNA的噪声系数仿真结果图中看出，仿真结果NF小于1.5，满足设计指标。在此仿真中的带宽为400MHz，相对带宽为11.4%。1.4 版图设计和实物1） 版图设计图23 LNA的PCB版图在版图中，加入了一个中间调试的端口，这个是方便在做测试时，判断每级放大器的工作是否正常，从而了解每级放大器的实际工作特性。另外在第二级放大器的栅极电源处采用了分压方式，这是为了在调试电路中，分别控制两个晶体管的工作电 流。在图中每个匹配支节的末端都加入了三小段调节微带，方便调试电路。2） 实物照片图片24为未加屏蔽盒盖板的LNA电路实物图片；图片25为最后进行测试的LNA电路实物图片。图24
25、未加盖板前的实物图图25 最后加盖测试的LNA实物图2. 测试过程、结果及分析2.1 测试环境和过程由于此次我采用的是线性模型进行的仿真，所以在仿真中未加入直流电压，但是 s2p文件中的S参数是在VD=2v，ID=15mA情况下测出的，所以在测试时，两电路中的漏极偏压都选择2v，而栅极的偏压，要经过调试才能定下来。由于此次竞赛中用的晶体管为耗尽型晶体管，所以在加偏压时，要先加栅极电 压，通过datasheet中提供的数据，我首先选择加-0.5v到栅极，然后慢慢的加漏极电压到2v。这样可以保护晶体管不被烧坏。在测试中经过反复调节两个栅极的偏压，最后两个栅极都选择在-0.3v，第二级的栅极电源旁边
26、焊上0欧姆电阻和栅极连接。以下是测试过程的图片：图 26 测试过程2.2 测试结果和分析测试电路的S11和S21，结果如下：图27 实物测试的S11和S21结果图28 仿真LNA的S21和S11图27是在输入信号功率为-30dBm时的测试结果，可以看出增益大于25dB，平坦度小于1dB，完全达到设计要求，S11达到要求，输入驻波小于2。实物测试结果与仿真结果图28对比可知，增益大体形状二者是一样的，但实物测试结果的增益比仿真稍微大了点，分析：在焊接电路时，对第二级放大器的稳定性电阻进行了调整，稍稍比仿真是小了点，这个可能导致最后实物测试的增益大了点。平坦度，实物比结果要好，是因为仿真中平坦度没
27、有达到要求，在测试时，我对稳定电阻和两级级联的电容以及匹配支节做了调整，如利用版图中的微调短截线调节输入端的匹配，使平坦度小于 1dB。实物测试的S11也达到要求，但是没有仿真的好，分析：上面提到，调试时对匹配电容进行了调整，所以导致S11和仿真结果差点，还有个原因就是实际买到的贴片电容和仿真中用的有差别，另外在焊接时，电焊笔的高温会使电容介质损害，导致容值和原来有差别。接下来测试了LNA的噪声系数，测试结果如下：图29 实物测试噪声系数的结果图30 实物测试噪声系数结果列表从图中可以看出，实物测试结果达到设计要求，噪声系数：1.066dB3.28GHz，1.172dB3.52GHz，1.30
28、8dB3.72GHz。下面测试了LNA的1dB压缩点，调节信号源，使之输出3.5GHz的信号，然后连接到LNA的输入端，输出端连接到频谱仪，测试结果如下表（包括信号线损）：输入信号功率（dBm）输出信号功率（dBm）增益（dB）-203.3123.31-194.2423.24-185.1523.15-176.0223.02-166.9422.94-157.6822.68-148.2822.28-138.721.7-129.0221.02-119.2820.28-109.4719.47表1 1dB压缩点的测试由表中看出，1dB压缩点出现在输入信号为-14dBm时。所以刚开始测试输入信号为-10d
29、Bm，测试出的S21过小，是增益压缩的原因。最后，对LNA的线性度进行了测试，以下是三阶互调的测试：图31 LNA三阶互调测试结果由图看出，三阶互调量跟双音信号相差29.2dBc。3. 总结通过这次设计，掌握了MWO基本的设计流程，体会到MWO软件在有源电路设计方面的绝对优势，这对今后工作学习有很大帮助。学习了MWO中EXTRACT的使用，掌握了如何准确地设计有源电路，领会到EXTRACT进行电磁仿真的方便，免去了自己生成版图，在进行电磁参数提取的不便，对提高设计速度有很大帮助。另外，在仿真同时，MWO方便版图设计也同样缩短设计时间，省去了再使用protel软件布板图的过程，很有点像流线作业的
30、过程。设计中的不足是，未使用MWO的harmonic balance功能对电路的非线性特性进行仿真，这是由于此次使用的晶体管只有S2P文件，此文件只是小信号线性数据，无法进行非线性分析。致谢非常感谢AWR公司给予我这次很好的设计锻炼机会，感谢Francis、李玉福先生精彩的MWO软件使用培训报告，Francis先生耐心仔细地介绍了MWO软件的使用，讲解了MWO基本控件的使用及其原理，并且热心地回答同学们提出的问题，使我对WMO有了初步的了解。在接下来的设计过程中，特别要感谢李玉福工程师，他不厌其烦地回答了我在软件使用上的各种问题，认真讲解和分析仿真中出现的问题，让我领会到 MWO在设计有源电路上的优势，在他的指导下，我顺利地完成了LNA的设计仿真工作。同时，我要感谢东南大学毫米波国家重点实验室，给我提供试验和测试平台，最后感谢我们课题组的全体成员长期以来给予我的帮助和支持。参考文献1 李智群，王志功.2008.射频集成电路与系统. 北京：科学出版社2 田庆诚 . RF Amplifier Design，中华大学电机系课件3 David M Pozar .2009.Microwave Engineering.北京：电子工业出版社作者简介