ADS仿真低噪声放大器学习笔记

ADS仿真低噪声放大器

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；

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）。

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”。

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”，
   

2. 单击ok后，打开原理图，“FET DC Tracing”的控件已经放置好了；
   

3. 单击元器件库按钮，打开元器件库列表；
   

4. 选择“ATF54143_dt”，右击“Place compnent”添加至原理图中；
   

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；
   

7. 单击仿真，结果如下
   

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；

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

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；

4. 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））；
   

5. 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
   

6. 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；

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。

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。）

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；

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；

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；

4. 将理想元器件换成murata公司元器件进行仿真调谐；

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。

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。

1. 设置S-parameter仿真控件为单频点仿真，频点为2.45GHz；
   

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，
   

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

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。
   
   

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。

5. 点击进行仿真，查看结果，这时匹配电路网络已经近似是50Ohm。
   
   

6. 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。
   
   

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）
   

2. 查看阻抗的实部和虚部，为108.45-j*65.3 ；
   

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。
   
   
   
   

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；

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