【正文】 5） 偏置電路的設(shè)計(jì) ??????????????????????? ???? （ 9） 小信號(hào)模型的提取 ?????????????????????? ??? （ 11） 小信號(hào)模型的提取的 案 ??????????????????? ???? （ 12） 小信號(hào)模型提取的步驟 ??????????????????? ???? （ 15） 3 低噪聲放大器的設(shè)計(jì) ?????????????????????? ??? （ 23） 低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)與仿真 ????????????????? ??? （ 23） 設(shè)計(jì)目標(biāo)以及器件和偏置條件選定 ?????????????? ??? （ 23） 基于 ADS 寬頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方案 ???????????? ???? （ 23） 穩(wěn)定性分析 ???????????????????????? ??? （ 24） 偏置電路以及負(fù)反饋電路的設(shè)計(jì) ???????????????? ??? （ 25） 偏置電路 ????????????????????????? ??? （ 25） 負(fù)反饋電路 ???????????????????????? ??? （ 26） 阻抗匹配 ?????????????????????????? ??? （ 29） 微帶線匹配 ??????????????????????? ??? （ 29） 分立 LC 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) ??????????????????? ??? （ 32） 整體電路的仿真與分析 ?????????? ????????? ??? （ 36） PCB 的設(shè)計(jì)與其電路的仿真 ?????????????????? ??? （ 38） ???????????????????????????? ??? （ 38） 參考文獻(xiàn) ???????????????????????????? ??? （ 41）華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 前言 低噪聲放大器簡(jiǎn)介 低噪聲微波放大器（ LNA）已廣泛應(yīng)用于微波通信、 GPS 接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對(duì)抗、射電天文、大地測(cè)繪、電視及各種高精度的微波測(cè)量系統(tǒng)中，是必不可少的重要電路。前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的增益將決定對(duì)后級(jí)電路的噪聲抑制程度，它的線性度將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產(chǎn)生重要影響。 Advanced Design System(ADS)軟件是 Agilent 公司在 HP EESOF EDA 軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善的大型綜合設(shè)計(jì)軟件，它功能強(qiáng)大，能夠提供各種射頻微波電路 的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于通信、航天等領(lǐng)域，是射頻工程師的得力助手。 低噪聲放大器的發(fā)展現(xiàn)狀 從上個(gè)世紀(jì) 60 年代中期開始，由于平面外延工藝的發(fā)展，雙極晶體管的工作頻率跨進(jìn)微波頻段，平面外延晶體管的工作頻率達(dá)到 1GHz 以上，出現(xiàn)了微波雙極晶體管及其相應(yīng)的放大器，而同時(shí)伴隨著場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ FET）理論的提出，包括金屬絕緣柵半導(dǎo)體 FET (如 MOSFET) 、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (JFET) 、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管 (MESFET) 和近代的異質(zhì)結(jié)場(chǎng) 效應(yīng)管 (HeteroFET) ,如 HEMT 等隨之出現(xiàn)。這種新的技術(shù)發(fā)展水平功率 GaAs HFET 器件擁有基于異質(zhì)結(jié)化合物 AlGaAs 、 GaAs InGaP、 GaAs、 InAlAs、 InGaAs 的結(jié)構(gòu)。目前微波 HBT 的截止頻率達(dá)到了 200 GHz ,因此在微波、低噪聲、超高速及低功耗方面具有很大的優(yōu)越性。這種器件提供高柵漏和柵源擊穿電壓，門偏壓降低到夾斷電壓接近恒量的跨導(dǎo)，適度高的最大溝道電流能夠得到高效率的器件推動(dòng)高電子遷移率晶體管（ HEMT）的問世，其低噪聲性能比場(chǎng)效應(yīng)管更優(yōu)越并大量投入商用。目前國(guó)外 8 mm以下的 HEMT 己商品化，在極低噪聲的許多應(yīng)用領(lǐng)域已取代 GaAs MESFET，而且在微波 /毫米波功率應(yīng)用中也越來越引人注目。很多公司為了滿足這一需求 ,除了在技術(shù)方面投資以外 ,逐漸開始在提高 HEMT 性價(jià)比上增加投入。 1996 年， TRW 公司 Kabayashi 等人研制出了 S波段的 HEMT— HBT 單片集成接收機(jī)。我們發(fā)現(xiàn)微波晶體管低噪聲放大器的巨大變革通常是隨著微波放大器件的產(chǎn)生和工藝技術(shù)的改進(jìn)而發(fā)展的。但是，總體說來，除了高度集成工藝外，國(guó)內(nèi)外總的設(shè)計(jì)手段是相差不大的，在研制方法上，國(guó) 內(nèi)與國(guó)外也是基本相同的。由于它處于接收機(jī)放大鏈的前端，因此，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來講是非常重要的。接收機(jī)靈敏度公式如下所示： （ ） 式中： k 為波爾茲曼常數(shù)， T0 為溫度， B為帶寬， (S0/N0)min 是系統(tǒng)正確解調(diào)出接收信號(hào)所需的最小輸出信噪比， Fn 為噪聲系數(shù)。當(dāng)然也可以通過改變接收機(jī)結(jié)構(gòu)來改變 B 和(S0/N0)min 或者采用低溫來降低 T0，本課題主要討論噪聲系數(shù)對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響，不考慮溫度的影響。其功能強(qiáng)大，仿真手段豐富。其最新版軟件 ADS2020 可加速通信產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度。然后 設(shè)計(jì)了一個(gè)在 的頻率范圍內(nèi)滿足指標(biāo)要求的低噪聲放大器，利用 smith 圓圖設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，較詳細(xì)的研究了偏置電路 和匹配網(wǎng)絡(luò) 的設(shè)計(jì)，并且對(duì)偏置電路對(duì)整個(gè)電路的影響進(jìn)行了討論。模型的建立 ,是晶體管電路分析和設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。另一方面 ,在教學(xué)過程中 ,為了抓住主要矛盾 ,搞清楚問題的實(shí)質(zhì) ,在手算的情況下 ,常忽略一些次要因素 ,模型力求簡(jiǎn)單。例如 ,晶體管運(yùn)用在低頻小信號(hào)狀況下的 T 型等效電路 ,h參數(shù)等效電路 。計(jì)算機(jī)分析和設(shè)計(jì)中常用的 EMI 模型 ,EMZ 模型等等 ,真是五花八門。為了澄清對(duì)晶體管模型的一些模糊認(rèn)識(shí) ,下面討論晶體管小信號(hào)等效電路的兩種生成方法 ,并說明在晶體管模型建立過程中應(yīng)注意的問題。然后進(jìn)入 ADS 主界面，執(zhí)行菜單命令【 File】然后點(diǎn)擊【 Unarchive Project】 ,如圖 21所示。 圖 22 釋放 zap文件的對(duì)話框 （ 3） 執(zhí)行（ 2）之后 ADS2020 自動(dòng)生成了一個(gè)工程“ atf55143_010407_prj”，這樣就也可以在工程中使用晶體管 ATF55143 的庫文件了。在“ Schematic Design Templates”下拉列表中選擇“ DC_FET_T”模版，在“ Name”文本框中輸入“ DC_FET_T”，如圖 23 所示。 圖 24 DC_FET_T原理圖 （ 3） 單擊 圖標(biāo)，打開元器件列表庫，如圖 25 所示。將鼠標(biāo)右鍵單擊放置 ATF55143_dt。 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 27 ATF55143的電氣性能最大值 （ 6） 根據(jù)圖 27 可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并用連接原理圖，完成后的原理圖如圖 28所示。結(jié)果如圖 29所示。 圖 210 ATF55143的直流偏置曲線 從圖中可以看出，在 2GHz 時(shí)，當(dāng) Vds= 且 Ids=30mA 時(shí)， Fmin 接近最小值。 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 偏置電路的設(shè)計(jì) （ 1） 創(chuàng)建一個(gè)新的原理圖，命名為“ biasCircuit”。 圖 211 偏置電路原理圖 （ 2）放入直流電源，連接各部件如圖 212 所示。 圖 213 Transistor Bias Utility的設(shè)置 (4) 單擊【 Design】按鈕，彈出“ Bias Network Select”對(duì)話框，在“ Bias Network Select”對(duì)話框里有三個(gè)偏執(zhí)電路可以選擇。 (5)完成篇之網(wǎng)絡(luò)選擇后，可以通過選擇“ DA_FETBias_1”控件，再單擊 圖標(biāo)，來看偏執(zhí)電路，如圖 214 所示。后面會(huì)用相近的常規(guī)標(biāo)稱值代替。仿真結(jié)束后，執(zhí)行菜單命令【 Simulation】單擊【 Annotate DC Solution】可以看到仿真結(jié)果。執(zhí)行菜單命令【 Simulation】單擊【 Annotate DC Solution】，可以看到原理圖中各節(jié)點(diǎn)的電壓電流，如圖 215 所示。添加各種元件和控件，并照?qǐng)D 214所示畫好偏置電路如圖 216 所示。要想求 ATF55143 的小信號(hào)模型，首先應(yīng)該去掉 ATF55143 模型中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，求得 MESFETM 管子（如圖 218 所示是晶體管 ATF55143 模型中的 MESFETM管子的模型參數(shù)）的 S 參數(shù)。 圖 217 晶體管 ATF55143的模型 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 218 MESFETM管子參數(shù) 圖 219 求 intrinsic device的 Y參數(shù)過程 圖 HEMT器件小信號(hào)等效電路模型 ,其中圖 為立體結(jié)構(gòu)，圖 為平面結(jié)構(gòu)。 ②和偏置無關(guān)的寄生元件： Lg， Ld， Ls， Rg， Rs， Rd， Cpd， Cpg，和 Cpdg。 和偏置無關(guān)的寄生元件的值為： Rd= Ohm， Rg= Ohm， Rs= Ohm， Lg= nH，其余的： Ld， Ls， Cpd， Cpg，和 Cpdg 的值都為零。Cgs178。 圖 218 晶體管 ATF55143模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （ 2） 單擊仿真按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后，單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的 控件，放置S1 S1 S1 S1 S1 S1 S2 S2 S2 S2 S2 S2 S3 S3 S3 S3S3 S3 S4 S4 S4 S4 S4 S4 S5 S5 S5 S5 S5 S5 S6 S6S6 S6 S6 S66 等 S參數(shù)，如圖 222 所示。 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 223 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) S參數(shù)導(dǎo)出對(duì)話框 （ 4）單擊【 Write to File】 ,新建電路原理圖“ BiasCircuit3”，添加偏置電路原理圖 216各個(gè)元件，再在控件下拉菜單里選擇“ Data Items”庫文件，然后單擊 控件，將“ De_EmbedSn”改為“ De_EmbedSn6”，將（ 3）導(dǎo)出的 s6p文件導(dǎo)入“ De_EmbedSn6”控件中，然后重新連接原理圖如圖 223所示。單擊仿真按鈕，執(zhí)行仿真，仿真結(jié)束后，數(shù)據(jù)顯示窗自動(dòng)彈出。 圖 224 atf5143小信號(hào)模型的 Z參數(shù) （ 7） 單擊數(shù)據(jù)顯示方式面板中的的方程控件，輸入要計(jì)算的 intrinsic device 的 Z 參數(shù)命名為 Z111，根據(jù)公式插入或輸 入各項(xiàng)參數(shù)，如圖 225b 所示。并將計(jì)算得到的ω參數(shù)通過 Equations 插入到計(jì)算 Z111 的方程里。得到 intrinsic device 的 Z參數(shù)如圖 227 所示。 圖 228 intrinsic device Y參數(shù) 華北電力大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 229 intrinsic device Y參數(shù) （ 9） 選中（ 8）中計(jì)算出來的 Y 參數(shù)，單擊右鍵滑到 Export,點(diǎn)擊【 CSV file】按鈕，導(dǎo)出 Y 參數(shù)如表 21 所示。 F/ GHz gm ω τ Cgd(pF) Cgs(pF) Cds(pF Ri(Ω ) 1/Rd(Ω +08 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +09 +10 +10 +10