ADS仿真低噪声放大器学习笔记

ADS仿真低噪声放大器

文章目录

  • ADS仿真低噪声放大器
    • 1. 安装晶体管的库文件
    • 2. 直流分析DC Tracing
    • 3. 偏置电路的设计
    • 4. 稳定性分析
    • 5. 输入匹配和输出匹配

设计要求:
工作频率:2.4~2.5GHz ISM频段
噪声系数:NF < 0.7
增益:Gain > 15
输入驻波输出驻波:<1.5
这里重点是ADS操作流程

1. 安装晶体管的库文件

1、 下载ATF54143晶体管的ADS模型(ATF54143.010407.zap);
2、 打开ADS,菜单命令file------Unarchive,释放该文件;
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3、 弹出一个“Convert Project to Workspace Wizard”的向导对话框,按照步骤选择“ATF54143.010407.zap”文件,最终生成一个“atf54143_010407_wrk”的ADS工程。(注意:解压路径中最好不要有中文,否则可能会报错)。

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4、 新建一个工程,命名为“LNA_ATF54143_wrk”
5、 加入ATF54143模型,菜单命令File----manage libraries,弹出对话框,单击Add library Definition File 按钮,找到atf54143_010407_wrk的文件夹中的lib.defs文件,点击打开,在library view中也可以看到“atf54143_010407_lib”。

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2. 直流分析DC Tracing

设计LNA的第一步需要确定晶体管的直流工作点。

  1. 新建一个原理图,名为“ATF54143_DC_T”,在“Schematic Design templates”选择“ads_templates:DC_FET_T”,
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  2. 单击ok后,打开原理图,“FET DC Tracing”的控件已经放置好了;
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  3. 单击元器件库按钮,打开元器件库列表;
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  4. 选择“ATF54143_dt”,右击“Place compnent”添加至原理图中;
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  5. 设置DC_FET控件的参数,(这个参数一般是参考datasheet),
    Vgs为0.3~0.7V,VDS为5V;
    VGS_start:起始栅极电压
    VGS_stop:终止栅极电压
    VGS_points:栅电流值的采样点数目
    VDS_start:初始漏-源电压
    VDS_stop:终止漏-源电压
    VDS_points:漏-源电压值的采样点数目

  6. 设置好相关参数后连接原理图;
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  7. 单击仿真,结果如下
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VDS值为3.75,VGS为0.4,IDS电流为0.004A(4mA),功耗为:3.75*0.004 = 0.015
从ATF54143的datasheet中直流工作点:Ids = 60mA,Vds = 3V

3. 偏置电路的设计

  1. 新建一个新的原理图,名为“biascircuit”,放入ATF54143,Transistor Bias----DA_FETBias控件,Source-Freq Domain-----V_DC直流电源,并放置DC模拟器,连接原理图;

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  1. 根据ATF54143芯片资料设置参数如下:直流工作点Vds=3V,Ids为60mA;

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3) 执行菜单命令Design Guide—Amplifier,在tools中选择Transistor Bias Utility,单击ok,弹出“Transistor Bias Utility”对话框;

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  1. 单击design,弹出“Bias Network Selection”对话框,单击ok,ADS自动生成一个偏置电路,选择第一个偏置电路,(在LNA的设计中,S极只接反馈电感(微带线));
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  2. 看一下偏置子电路,如下图,电阻不是常规值,后面调整为常规值
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  3. 单击仿真,执行simulate----Annotation ,可以看到电路中各个节点的电压和电流;

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新建一个cell,将子电路复制到外围电路,如图所示,进行电阻值的调整,看到ATF54143的电流为27.2mA,电压为3.15V,一般这里是3V左右。
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Vds为3V,Ids为60mA,所以调整电阻R1和R2,R4的阻值,使得接近这两个值。

4. 稳定性分析

  1. 创建一个新的原理图,命名为“LNA_schematic_1”,
    (加Term端口,一般默认为50Ohm;
    加“Stabfact”控件稳定系数,也就是理论上的K值,要求K>1(Simulation-S_Param);
    加“MaxGain”控件,最大增益控件,注意不是实际增益,实际增益是S21(Simulation-S_Param);
    理论:放大器的直流和交流通路之间要加射频扼流电路,实质上是一个无源低通电路,使直流偏置信号(低频信号)能传输到射频信号通路上,而晶体管的射频信号(高频信号,这里是2.4GHz的信号)无法进入直流偏置,实际上可以是一个电感,或者是一个旁路电容接地,这里先用DC_Feed(在lumped-compnents控件中)扼流电感代替,同样,直流偏置信号不能传到两端的Term,需要加隔直电容,先用DC_Block(在lumped-compnents控件中)隔直电容代替。)

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2) 单击仿真,显示数据,选择显示MaxGain1和Stabfact1曲线,选择频率点2.45GHz;
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从晶体管放大器理论可知,只有绝对稳定系数>1,放大器电路才会稳定,这里K<1,不稳定。
3) 系统稳定的方法之一:加负反馈,调节稳定系数K值,添加变量控件,调节两个电感参数值,使得K>1;
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将电感值设为变量,经过调谐,得到电感值为0.8nH时,电路K值>1;
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  1. 将理想元器件换成murata公司元器件进行仿真调谐;

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将元器件换成murata后,需要在原理图中加muratainclude控件,不然仿真会报错,这里仿真的数据不是最优的,后续可以进行参数的优化,重点学习ADS操作方法。

5. 输入匹配和输出匹配

1、输入匹配和噪声系数
一般输入匹配主要影响噪声系数,输出匹配影响增益,所以需要调整输入匹配来降低噪声,仿真噪声系数需要在S参数仿真控件里把计算噪声的功能打开。
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目前的电路图如上,这时的噪声系数为1.207,而系统的噪声系数最小值为0.696,现在需要调整输入匹配网络来降低噪声以达到最小噪声系数。
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  1. 设置S-parameter仿真控件为单频点仿真,频点为2.45GHz;
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  2. 在原理图中加入NsCircle控件,设置
    NsCircle1=ns_circle(,NFmin,Sopt,Rn/50,51,3,0.1),返回该频率的NFmin、NFmin+0.1dB、NFmin+0.2dB、的3个等噪声圆,
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输入端阻抗为Z0*(0.310-j0.330)= 15.5-j16.5 Ohm
3) 使用DA_SmithChartMatch(Smith Chart – Matching network)中,设置参数如图

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  1. 执行design Guide----amplifier,选择Tool----Smith Chart Utility,弹出对话框,设置如图所示,采用微带线匹配,最后点击Build ADS Circuit。
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注意:需要把Enable Source Termination 和Enable Load Termination和Interpret as Output Impedance 打上对钩,其中Enable Source Termination 和Enable Load Termination是为了配合Smith Chart Matching Network对话框中的SourceEnable = True和LoadEnable = True。

  1. 点击进行仿真,查看结果,这时匹配电路网络已经近似是50Ohm。
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  2. 将匹配电路放置到电路图中,并将隔直电容移到源端,如图,通过调谐微带线的电长度,使得S11参数在18以下左右,这时的驻波是在1.1左右。
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2、输出匹配和增益
输出匹配对噪声没有影响,这里主要考虑的是增益。(方法同上)输出端的阻抗是由阻抗控件来确定

  1. 在原理图中插入Zin控件并设置,(S-parameter)
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  2. 查看阻抗的实部和虚部,为108.45-j*65.3 ;
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  3. 使用DA_SmithChartMatch(Smith Chart – Matching network)中

  4. 执行design Guide----amplifier,选择Tool----Smith Chart Utility,弹出对话框,设置如图所示,采用微带线匹配,最后点击Build ADS Circuit。
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这里本来想用微带线的,但是微带线不是好匹配
5) 经过调谐,结果如下,(并没有进行深入优化),电路图如下;

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以上仿真过程和书上也有一些出入,欢迎批评指正,共同学习!

参考资料:
ADS2011射频电路设计与仿真实例 徐兴福

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