二、ADS学习笔记：低噪声放大器设计

基于ADS2023 update2   

参考书籍：卢益锋老师《ADS射频电路设计与仿真学习笔记》

更多笔记：
ADS学习笔记 1. 功率放大器设计

目录

二、ADS学习笔记：低噪声放大器设计

0、设计指标

1、下载安装模型库 & 研读DataSheet

2、直流扫描

【问题1】为什么使用的模板和PA的直流扫描模板不同？

3、ADS偏置电路自动设计

4、S参数仿真

5、稳定性分析

【增大稳定性方法】1.输入回路中串联一个RC并联网络；2.源端并一个电感到地；3.增加负反馈，降低环路增益防止震荡，但会恶化噪声

微带稳定设计

【问题2】变成只读文件，无法保存​编辑

6、确定输入/输出阻抗

S参数仿真

7、版图布局

8、联合仿真

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0、设计指标

频率：433MHz
噪声系数：<0.5dB
增益：G>15dB
S11：<-15dB

晶体管：安华高的LNA芯片 ATF54143
封装类型：SOT-343
DataSheet：

1、下载安装模型库 & 研读DataSheet

ATF54143的ADS模型库：

不用新建工程，ADS模型库是zap文件，直接解压unarchive，解压完是个工作空间

2、直流扫描

直流扫描确定静态工作点，新建原理图01_DC_test

插入直流扫描模板，FET结型场效应管

调出ATF54143管子，点击ADS库文件，找到管子，空白处双击即可

连接好器件，源级接地，其余直接连。上面数据手册中器件的Vgs范围是0.4-0.8V，Vds是1-5V左右，所以设置范围和其差不多就行

仿真结果如下。DataSheet中也可以看出噪声系数NF和漏极电流Id有密切关系，当Id在20~40mA时，具有良好的噪声性能。结合仿真结果，最终选择静态工作点为VGS=0.5V，VDS=3V，此时的IDS=25mA

【问题1】为什么使用的模板和PA的直流扫描模板不同？

PA用的是直流扫描模板是FET_Curve_Tracer，这个用的是DC_FET，试了下两者没差别。FET_Curve_Tracer的结果只有一个，DC_FET的结果还包括直流功率

3、ADS偏置电路自动设计

新建原理图02_Bias_Circuit，插入Bias电路控件

调出管子，连接线路，电源V_DC是在Sources_Freq Domain里，设置为5V

双击DA_FETBias进行参数设置，每个参数在下方都有定义，根据DataSheet中的参数进行设置（Vt和K可以默认不设置）

DesignGuide中选择Amplifier，点击Transistor Bias Utility

点掉Automatically Extract，设置好后点击Design

有三种偏置电路设计，我们选择源极电阻为0的偏置电路，源极只需要加一个反馈电感就可以了，点击OK

生成后点击DA_FETBias_BiasCircuit控件，点击Pop into可以查看生成的参考电路

新建原理图02_Main_Bias_Circuit，连接电路图如下；点击DC Annotation下的Current可显示电流。实际用的电阻没有这么精确，都是大概值，所以电阻值还可再优化一下。最终Id=24.7mA，VGS=0.5V，VDS=2.76V，基本符合要求，偏置电路基本设计完毕

4、S参数仿真

新建原理图03_SPara_test，调用模板S_Params

连接好仿真图，S控件设置频率范围外把noise也勾上；再加上MaxGain和StabFact，得到最大增益和稳定性分析

仿真结果添加如下，这个结果只是初步的

5、稳定性分析

在DesignGuide中点击Amplifier，选择S-Params,Noise.....，删除原有的S2P文件，连接好原理图。工程以默认的SP_NF_GainMatchK命名的，可以改成04_Stability_Analysis

仿真结果如下，稳定性系数＜1，不怎么稳定

【增大稳定性方法】1.输入回路中串联一个RC并联网络；2.源端并一个电感到地；3.增加负反馈，降低环路增益防止震荡，但会恶化噪声

对于LNA设计，着重需要噪声小，所以不能加电阻。采用源端串电感的方法，双击电感，设置值为变量m，单位nH。添加VAR变量，仿真结果如下

此时还是小于1，对m进行扫参。双击VAR，设置为Tuning模式，步骤如下

调到19nH时，K大于1，此时增益为11dB，勉强符合要求。可以看出源极加电感的方法会降低增益

上面的仿真用的是理想的电感电容，考虑换成实际的器件来验证，因为实际器件有寄生参数，特别是等效电阻ESR参数。先把偏置电路的DC_Feed换掉，对于扼流电感一般选择大的电感，这里选择100nH

电容选择村田sc_mrt_MC_GRM39C0G050___19960828，设置电容150pF。双击元件后点击Clear All可以隐藏电容电感的说明

最终的电路如下图所示

调整m，观察K值。发现m大于3nH就一直K>1，这里取m=9.5nH，结果如下

微带稳定设计

射频电路中电感值要精确，一般用微带线设计，先看宽度再看长度
1、由datasheet得到该管子的源极引脚宽度为0.25~0.35mm，另一个源极引脚宽度为0.54~0.65mm。此处选取宽度最宽的0.65mm。
2、对于长度，由传输线理论可得电感可等效为一段长度的微带线，短路短截线公式：wL=Ztan（βl），w为角频率2pi*f，L为电感值，Z为微带线特性阻抗，βl为电长度。此设计采用PCB为Rogers4350B，介电常数3.66，厚度0.508mm。
3、打开LineCalc计算，0.65mm线宽的特征阻抗为66Ω
4、把Z=66带入上述公式，得出tan(βl)=0.39，βl=21.3°，输入到E_Eff中，得出长度约为25mm

在04的原理图中，把源极电感换成微带线，调出Msub控件和微带线模型MILN。Msub控件设置介电常数3.66，H=0.508mm，T=0.035mm，TD=0.0037，仿真结果如下

【问题2】变成只读文件，无法保存

文件在上次编辑时没有正常保存导致的
解决措施：打开文件夹，进入D:......\2_LNA_ATF54143_wrk\2_LNA_ATF54143_lib\04_%Stability_%Analysis\schematic，找到oa.cdsick，删除即可。

仿真结果和之前用电感的曲线基本重合，验证了正确性。但考虑到25mm的长度相对器件大小是很长的，所以最终稳定的措施是选用电感

6、确定输入/输出阻抗

上面仿真后的噪声性能如下，在432MHz的噪声系数为0.1dB左右。下面是关于噪声匹配和增益匹配的结果。可以看出：
输入阻抗为（126 + j 1.37）Ω，输出阻抗为（211 - j 42.4）Ω时，LNA有最小噪声NF = 0.1dB
输入阻抗为（84 + j 34）Ω，输出阻抗为（295 - j 48）Ω时，LNA有最大增益19.2dB
在LNA的设计中着重看低噪声，按照最小噪声进行匹配。为了达到最小噪声，晶体管的输入端需要满足最佳源反射系数Γopt的要求，需要把Γ*opt阻抗匹配到50Ω，传输线的特性阻抗是50Ω

新建原理图05_Input_Output_Matching，调出SmithChart控件，设置好参数，这里的负载阻抗是上面输入阻抗（126 + j 1.37）Ω的共轭，

插入S参数模板，设置如下，点击Tools--SmithChart，设置如下，点击OK

匹配好后点击Build，或者直接Auto Match，因为是窄带匹配，Build后就能Push In和Pop Out了

同理对输出匹配电路进行上述操作，这里的输出阻抗就无需共轭

注意这里要勾选上Interpret as Input Impedance，因为Zsource和Zload的匹配方向是相反的。
ADS中Smith匹配默认只能从圆图的负载向圆图的源端匹配。
输入匹配时，从Zsource匹配到50Ω，和DUT中的方向一致；但输出匹配时，若是按照ADS中默认的下图来看，是从50Ω向LNA的输出端 211 - j*42.4 匹配，和原来DUT中的Zload方向是相反的（我们想要的是 211 - j*42.4匹配到50Ω）所以要勾选这个Interpret as Input Impedance。
（在加容感匹配的时候就能看出来，是从圆心向某点做匹配的，而不是从某点匹配到圆心）

S参数仿真

新建原理图，把04的原理图复制进来（但是发现直接复制进来，仿真的结果模板没有了，所以还是要DesignGuide----Amplifier----SParam），先把05中的匹配电路都加进去，结果如下（左边是没加匹配电路，右边是加了匹配电路），此时发现S11有点频偏，噪声系数基本上保持稳定

考虑到实际电容和电感的焊接需要焊盘，所以在每个器件旁边加上小的微带线，选取微带宽度W=1.5mm，长度L=2mm，最终电路图如下
【Tips】这里的不同电阻是根据功耗来选择不同的封装类型的。
功耗很小可以用0603的电阻，如栅极供电上的分压电阻；功耗较大可以考虑用大封装的电阻，如漏极上的分压电阻（P=0.033*0.03*68W=0.06W），可以用0805封装的电阻（可以承受0.1W功率）

仿真结果如下，结果还可以

新建原理图cell1，把04的复制进来，准备查明为啥S11会有双频
原始状态

加入输入匹配电路，一切都很正常
[输入匹配电路是加在隔直电容前还是后面？]
结果显示相差不大，但是放在隔直电容前增益和噪声系数都好一丢丢，但是信号源过来的时候要先隔直，再匹配

对隔直电容加焊盘，S11恶化到-10.952dB，S21减小到16.738dB，NF减小到0.113dB，K不变
加输入输出的偏置电路，参数都正常，几乎没什么变化
加输出匹配电路，瞬间出现双频点，输出匹配电路是不是没做好

看一下输出匹配电路的S11，果然频点没有在433MHz左右，这可能是因为我们用的是噪声系数匹配的阻抗值，可能达不到完美匹配点重合

7、版图布局

设置端口Term、V_DC失效，点击Layout---Generate/Update Layout...，点击OK，生成初始版图

中间的管子由于没有封装而乱码，删除所有的容感元件和地，并添加端口

下面进行版图仿真了。先设置基板材料，点击EM---Substrate，新建Substrate命名为Rogers4350，点击Create。设置好材料信息如下图，点击保存

点击EM---Simulation Setting----Create EM Setup View，随后对求解器进行设置



点击Simulate，仿真结果如下（这里的结果不是MoM的模板，可能和之前的Sparam模板冲突了）

点击Window----Symbol，设置如下，生成标志，点击保存

8、联合仿真

新建原理图07_Co_simulation，调出刚刚的Symbol

点击Choose View for Simulation，选择emModel后点击OK

放置好器件和S参数控件（双击勾选上Calculate Noise），原理图如下

仿真结果如下，设计了一个中心频率433MHz，增益18.206dB，NF=0.134dB，S11带宽较好的低噪声放大器

如果觉得性能不好，还可以对匹配电路的集总元件进行优化调谐