11、ADS使用记录之LNA设计

11、ADS使用记录之LNA设计

基于ADS2022

参考的书籍是卢益锋老师的ADS射频电路设计与仿真学习笔记

前置教程：
01、ADS使用记录之新建工程
02、ADS使用记录之导入各类仿真模型导入
03、ADS使用记录之DC仿真控制器的使用
04、ADS使用记录之S仿真控制器的使用&椭圆低通滤波器设计
05、ADS使用记录之集总参数匹配
06、ADS使用记录之分布式参数匹配
07、ADS使用记录之匹配Q值-宽带与窄带
08、ADS使用记录之低通滤波器设计与优化
09、ADS使用记录之滤波器自动设计
10、ADS使用记录之设计高低阻抗滤波器（含版图仿真）

0、此次工程资源

基于ATF54143的ADS的LNA设计工程
ATF54143的ADS模型和数据手册

1、设计指标

要求LNA的工作的中心频率为433Mhz
增益要求Gain>15db
噪声Fmin<0.5db

2、FET数据手册阅读

本次设计使用ATF54143作为核心器件，应首先阅读其数据手册
看一些极限性能，这部分不那么重要，但是在器件选型时可以提供很多的信息：


再看官方的推荐设计，一般都需要按照官方的推荐设计来设计电路结构：

最后是最为重要的数据图表环境，在设计LNA时，我们需要确定管子的工作状态，这个需要仔细观察官方手册给出的数据图标：

由上图标可得，当Vds=3V，Id为20mA左右时可达最佳的噪声性能，且增益大于16db。在此设计中可以将Vds=3V，Id=20mA作为设计的参数。

3、导入zap并观察器件特性确定静态工作点

从官网下载并得到ATF54143的相关模型，下载得到的文件为zap格式，需要使用ADS进行导入，点击菜单栏的File菜单并找到unarchive选项，点击后选中刚刚下载得到的zap文件，选择解压位置解压：

解压后是一个新的工作空间，如下所示：

下面使用直流扫描观察ATF54143的器件特性，新建原理图并命名为LNA_DC_TEST:

在器件栏搜索并找到器件，插入至原理图：

下面插入模板，在insert中找到Template并点击，选择模板DC_FET_T并打开插入至原理图：


插入链接相关连线，如下所示：

下面修改FET Curve Tracer的设置，双击控件，修改参数，由上述数据手册得器件Vgs范围为0.4-0.8V左右，Vds为1-5V左右，按照上述要求设置控件：

设置完成后点击仿真，得到结果，观察得到当Vds=3V且Ids=22mA，Vgs=0.489V时较为符合此次设计，以为此时增益高且噪声系数小（可以对比之前数据手册的图）：

4、使用ADS工具自动设计FET偏置电路

新建原理图命名为LNA_Bias:

在新原理图中的工具栏中找到Transistor Bias并插入FET的控件（第一行第二个）：

插入ATF54143器件，并将相关引脚连接起来（供电电压选择5V，其他引脚相连即可）：

双击DA_FETBias控件并合理设置参数，参数与上面设计参数一致（Vt和K可以不写）：

在DesignGuide中选择Amplifier选项打开

在Tools中选择Transistor Bias Utility并打开：

选择Resistive Networks窗口：

修改下述选项，点击design即可：

在弹出窗口中选择DC1:

一段时间后自动设计结束，观察电路：

新建原理图，命名为LNA_Main，将上述分压电路复制进去并放置器件（电阻电容选择整数数值）：

点击仿真按钮仿真完成后，在菜单栏下依次点击Annotate Voltage和Annotate Pin Current，此时原理图上会显示节点电压和节点电流：

此时观察相关参数，电压和电流符合设计要求，实际的Id=20.5mA，Vgs=0.485V，Vds=3.15V。到此偏置电路设计完毕。

5、稳定性分析

为确保系统稳定运行，不会爆炸，需要进行稳定性分析。稳定性分析需要用到S参数分析，在此新建原理图命名为LNA_MAIN_S：

将上面DC分析的电路复制到新电路图中，删除DC控件并添加S参数仿真控件，合理设置S参数扫频范围：

在输出和输入端加入端口、隔直电容与DC-Feed元件，隔直电容与DC-Feed元件在Lumped Components器件栏中（DC-Feed元件可理解为隔交电感，用于阻隔交流信号确保稳定）：

在工具栏中搜索稳定性分析控件stabfact并加入：

搜索最大增益分析控件并加入：

最终电路图如下所示：

进行分析，完成后将下面两个参数绘图（最大增益和稳定性）：

分析和得到数据图如下，在433Mhz时稳定度为0.17，最大增益为27db,由此得电路不绝对稳定，需要进行修改：

修改方法有：
1.增加反馈，漏极加电容电阻，栅极加有耗网络等，以此降低环路增益防止震荡，但是此方法会恶化噪声
2.在源级增加电感。
此处选用源极加电感的方式，电路图如下（添加电感后设置电感值为l1nH，l1为变量且设置变量tuning）：

下面进行变量的tuning，点击tuning图标：

逐渐修改变量l1的值，观察曲线变化趋势：

发现在电感值为26nH时稳定度大于1，符合设计要求，此时增益为16db：

由此稳定性分析完成。

6、稳定分析与阻抗分析

新建一个原理图，在原理图中找到Design Guide的Amplifier选项：

打开后选择如下选项：

点击确定并解压，会出现一个新的原理图：

将我们的电路图复制进来，删除不需要的器件：

合理设置S参数并开始仿真，点击仿真按钮，出现结果图：

将中心的调节窗口调节至433M，观察系统在433M下的状态：

观察此时的相关参数，稳定系数1.3左右，符合要求：

链路增益12.5DB不符合要求：

下面在此原理图中进行tuning，点击调谐按钮，发现源级接地电感为10nH时增益为19db，稳定度为1.094，系统稳定且符合设计要求：

在射频电路中，电感用的比较少，在此用传输线代替，由传输线理论可得电感可等效为一段长度的微带线，公式：wL=Ztan（Bl），w为角频率2pi*f，L为电感值，Z为微带线特性阻抗，Bl为电长度。查阅数据手册得到该管子的引脚宽度为0.5mm左右，设计微带线时应选取宽度相近的数值仿真阻抗变化太大，在此选取0.5mm宽的微带线。

将相关数值代入wL=Ztan（Bl），计算得出Bl电长度为21.3度左右，在LineCalc中进行计算（LineCalc使用见06、ADS使用记录之分布式参数匹配），此处得出微带线宽为23mm：

按照上述步骤设置微带线参数（FR4）：
将源极电感换为等效的微带线：

下面进行仿真，发现仿真结果基本一致：

下面分析输入与输出阻抗。在此次设计低噪放时，优先考虑噪声性能，在此进行最小噪声匹配，观察得出此时输入输出阻抗分别为如下数值：

在此使用50欧姆作为传输线特性阻抗，需要将输入与输出阻抗匹配至50欧姆。

7、输入与输出阻抗匹配

在上述原理图中修改，是原理图好看些：
将所有器件换为真实的器件：

给所有电阻电容以及芯片加上微带焊盘，交汇处使用节来连接，板材使用FR4板材：


仿真观察此时的输入阻抗：

下面对输入进行匹配，插入圆图匹配控件，添加至输入这边：


断开后面的微带连接，并插入新的端口，端口阻抗为105.2-j34，也就是上面端口阻抗的共轭：

双击smith chart控件，设置控件参数如下（此处设置负载阻抗105.2+j34）：

在Tool中找到smithchart打开，输入源阻抗和负载阻抗，点击自动2元件匹配即可，匹配方式选择串电感并电容的方式：

设计完成后查看匹配效果（此时看似效果很好）：

把电阻电容复制到主原理图中，添加微带焊盘：
注意微带线的长宽：

对匹配的电感电容进行tuning，观察s11参数，发现在电感为20nH，电容为2pf时匹配最好，S11可达-38db：
将电感电容换为实际的电感电容，在此进行仿真：

在此仿真得到实际元件的S11，性能有所下降但可以接受（电容电感暂时还不能完全确定，需要等之后全部原理图一起仿真后确定）：

下面进行负载端匹配，之前负载端阻抗为：193+j92欧姆：

插入端口与smith控件如下所示（注意设置端口阻抗193-j92欧姆）：

对smith控件进行设置（注意设置此时的负载阻抗为193+j92，这与之前源阻抗匹配不一样，十分重要）：

设置完成后自动生成2元件匹配，查看匹配性能：

性能很好，下面添加微带线焊盘与连接并对电感电容进行调谐，发现使用实际电感33nH，电容1.5pf时S22参数较好：

8、版图绘制与仿真

最终电路图如下所示：

点击菜单layout更新电路图：

生成的版图如下所示（中间是管子，因为没有封装从而乱码）：

对版图进行修正，删去所有的电感电容元件与地线并添加端口：

点击EM设置：

设置板材FR4，板子高20mil，铜厚35um等相关参数：

设置扫频参数：

设置输出策略：

点击仿真，一段时间后仿真完成：

回到EM设置，点击symbol按钮：

点击最右下方的器件产生器：

点击looklike选项，并设置缩放系数0.03：

点击确定后产生原理图符号（这就是之前设计的微带线）：

9、联合仿真

新建原理图，在库中找到生成的symbol并插入：

对symbol进行连线，添加电感电容与电源等器件，与之前原理图一致：
设置S参数扫频与之前版图仿真的扫频策略一致，开启S仿真控制器的噪声计算功能：

下面进行联合仿真设置，选择Choose View For Simulation按钮（仿真按钮左边的）：

点击刚刚插入的版图symbol，在弹出窗口中选择emmodel选项即可;

一切准备就绪，对此原理图进行联合仿真。得到最终结果图，S21参数为18.5db，表示此LNA的增益大约为18.5db左右，S11参数为-26.5db，此参数影响驻波，此S11参数性能尚可：

观察噪声性能，发现噪声恶化了0.2左右，已经十分理想了，观察稳定性，稳定性系数为1.137大于1，系统绝对稳定，满足要求。

总结，设计了一个增益18.5db，S11为-26.5db的低噪声放大器，系统噪声性能优异，中心频率433MHZ，符号设计要求。

TIPS:

阻抗匹配时输入端阻抗关系：
ADS控件测得输入阻抗为Z1，在进行匹配时添加的端口阻抗为Z1的共轭，在设置Smith匹配控件时设置了ZL为Z1的共轭。

阻抗匹配时输出端阻抗关系：
ADS控件测得输出阻抗为Z2，在进行匹配时添加的端口阻抗为Z2的共轭，在设置Smith匹配控件时设置了Zg为Z2的共轭的共轭，也就是Z2本身。在Smith匹配控件需要额外设置源类型为输入：

不知道为什么要这样（那边共轭的部分），但是这样做结果是对的。