ADS入门学习笔记——低噪声放大器（1）「建议收藏」

编程小号 • 2024-05-09 22:17 • 未分类

ADS入门学习笔记——低噪声放大器（1）「建议收藏」1、晶体管分析；2、偏置电路设计；3、稳定性、增益和噪声分析；_ads低噪声放大器设计

低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减小噪声干扰，是小信号放大器。处于多级级联放大器的第一级，是提高接收机灵敏度的关键。

系统接收灵敏度的计算公式：

$S_{min}=-144(\frac{dBm}{Hz})+NF+10lgBW(MHz)+\frac{S}{N}(dB)$

一个低噪声放大器的性能主要包括噪声系数NF、合理的增益G和稳定性，多级级联放大器的噪声系数公式：

$NF=NF_1+\frac{NF_2-1}{G_1}+\frac{NF_3-1}{G_1G_2}+...$

其中，噪声系数NF定义如下：

$NF=\frac{S_{in}/N_{in}}{S_{out}/N_{out}}$

分子为输入端的信号功率和噪声功率，分母为输出端的信号功率和噪声功率，信号通过放大器猴，由于放大器产生噪声，使信噪比变小的倍数就是噪声系数，对单极放大器来说，噪声系数为：

$NF=NF_{min}+4R_n\frac{\left | \Gamma _s-\Gamma _{opt} \right |}{(1-\left | \Gamma _s \right |^2)\left | 1-\Gamma _{opt} \right |^2}$

$NF_{min}$ 是晶体管最小噪声系数，由放大器本身决定， $\Gamma _{opt}$ 、 R_n 和 $\Gamma _s$ 分别是获得 $NF_{min}$ 时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻和晶体管输入端的源反射系数。由于噪声系数很小，在某些噪声系数不方便表示的场合，常用噪声温度表示：

N=KT_sB

式中，K为玻尔兹曼常量，Ts为有效温度，单位为K，B是带宽，单位是Hz。

$NF(dB)=10lg(1+(\frac{T_s}{T_0}))$

其中，Ts是放大器噪声温度，T0=290K。

低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的，噪声最佳匹配点并非最大增益点，这种情况下的增益称为相关增益。

放大器的稳定性：

设计射频放大器时，必须考虑稳定性。由于反射波存在，射频放大器有产生振荡的倾向，不再发挥放大器的作用。放大器的稳定性是指放大器抑制环境变化，维持正常工作特性的能力。放大器反射系数的模大于1将导致不稳定，因此放大器稳定意味着反射系数的模小于1，即：

$\left | \Gamma _S \right |<1,\left | \Gamma _L \right |<1,\left | \Gamma _{in} \right |<1,\left | \Gamma _{out} \right |<1$

绝对稳定条件：

1″>

$\left | S_{11} \right |^2<1-\left | S_{11}S_{22} \right |\\ \left | S_{22} \right |^2<1-\left | S_{12}S_{21} \right |$

其中， $D=S_{11}S_{22}-S_{12}S_{21}$ ，K是稳定性判别系数，K>1为稳定状态，当以上三个条件都满足时，才能保证放大器绝对稳定。

低噪声放大器的设计步骤：

1、选择合适的晶体管：S参数，噪声系数，功率输出等；

2、计算K值，根据K的大小，确定稳定条件，画出 $\Gamma _L,\Gamma_S$ 史密斯圆图与稳定判别圆相对位置；

3、设计直流偏置电路，验证稳定性；

4、完成电路设计并验证稳定性。

晶体管分析

1.新建原理图，选择设计模板【ads_templates:DC_BJT_T】；

2.添加晶体管【MMBR941】到原理图，连接到电路并进行仿真；

设计指标

中心频率1.8GHz，工作频段为1.7GHz~1.9GHz。
噪声系数小于2.7。
输入驻波比小于1.6。
输出驻波比小于1.6。
增益大于10dB。

选择晶体管MMBR941设计低噪声放大器。

偏置电路设计

1、Design Guide设计电路

新建原理图，放入MMBR941模型，在原理图元件面板选择【Transistor Bias】→【BJT-Bias】插入原理图，选择【Sources-Freq Domain】→【V_DC】插入原理图，并连接；

执行【Design Guide】→【Amplifier】→【Tools】选择【Transistor Bias Utility】，点击【OK】；

点击【Design】，有8种偏置网络可选，这里选择第三种，点击【OK】自动生成偏置网络；

进入偏置网络子电路查看结构与参数；

2、Equations设计电路

新建原理图，选择【BJT_curve_tracer】模板，将【VAR】中VCE修改为5V，删掉【PARAMETER SWEEP】，添加【MMBR941】到添加到原理图，修改直流仿真控制器设置；

在晶体管基极和集电极连线处插入两个节点【VE】和【VC】，连接电路；

执行仿真，在弹出的数据显示表中选择列表显示IBB、VBE和IC.i的扫描数据；

插入偏置电阻计算公式

数据显示列表选择【Equations】

选择

$R_1=28.2\Omega \\ R_2=5113.6\Omega \\ R_3=70.2\Omega \\ R_4=1875\Omega$

设计偏置网络

新建原理图，将晶体管【MMBR941】添加到原理图，插入【V_DC】设置电压为6V，插入4个电阻将电阻值设置为上面的值，插入【DC】直流仿真控制器，连接起来进行仿真；

3.稳定性和增益分析

在【Lumped-Components】选择扼流电感【DC Feed】元件插入4次到原理图中，选择隔直电容【DC Blok】插入3次到原理图中，在S参数面板上插入S参数仿真元件，插入稳定性因子控件【Stab Fact】和最大增益控件【Max Gain】；

运行仿真，视窗选择【Rectangular Plot】，选择【Max Gain】和【Stab Fact】作图；

在1GHz~2.6GHz，稳定性因子k>1，绝对稳定；在1.8GHz最大增益为11.509。

4.噪声系数圆和增益圆分析

在原理图中，打开S参数仿真控件SP，选择【Calculate Noise】，执行仿真，画出【NFmin】图；

打开S参数仿真控件SP，设置为1.8GHz单频点仿真，加入【GaCircle】和【NsCircle】，更改控件参数

分别表示为在maxgain、maxgain-0.5dB、maxgain-1dB的三个等增益圆，NFmin、NFmin+0.1dB、NFmin+0.2dB的三个等噪声圆；

m4为最大增益点，增益为11.509dB，m5为最小噪声点，噪声系数为2.577dB，最小噪声点与最大增益点不重合，设计时需要权衡。

今天的文章ADS入门学习笔记——低噪声放大器（1）「建议收藏」分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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