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LNA设计

news 来源：原创 2025/8/7 5:57:30

设计目的

为后级提供足够的增益以克服后级电路噪声

尽可能小的噪声和信号失真

确保输入和输出端的阻抗匹配

确保信号线性度

评价标准

噪声系数

功率增益

工作频率和带宽

输入信号功率动态范围

端口电压驻波比

稳定性

基于SP模型的LNA设计

直流分析

S参数分析

设计指标 ：

噪声系数：NF=\frac{Sin/Nin}{Sout/Nout}

增益：G=\frac{P2}{P1}

工作频率和带宽

输入信号功率动态范围

端口驻波比

稳定性

sp模型分为"pb_hb_"和"sp_hb_"，其中第一个是封装类模型（用于直流和偏置电路扫描设计），第二个是S参数模型，用于射频性能仿真。

设计步骤：

SP模型制作安装

直流工作点扫描和选取

S参数特性仿真

阻抗匹配

稳定性、噪声系数、增益的优化仿真

以AT41533设计：NF<2.5dB；Gain>8dB;VSWR<2;K>1

选择工作点（Vce=2.7V，Ic=5mA）

BJT Curve Tracer：能测量 BJT 的各种特性曲线，如输入特性曲线（基极电流\(I_B\)与基极 - 发射极电压\(V_{BE}\)的关系）和输出特性曲线（集电极电流\(I_C\)与集电极 - 发射极电压\(V_{CE}\)的关系）。通过这些曲线，可以直观地了解 BJT 在不同工作条件下的电气性能。

S参数分析：

增益=4.97<8，用微带线进行阻抗匹配：

 微带线：宽度决定特性阻抗、长度决定电容电感特性。

基于实际晶体管模型的LNA设计

控件：直流伏安特扫描控件、偏置电路扫描控件、

  1. 通过S参数分析晶体管绝对稳定特性和最大转移增益是否满足要求
  2. 根据数据手册选取静态直流工作点（根据噪声系数、增益等要求）
  3. 晶体管库文件安装
  4. 添加DC_BJT或DC_FET控件进行晶体管直流特性分析
  5. 在TransistorBias面板选择偏置电路控件完成偏置电路设计
  6. 利用stabfact和Maxgain控件求解偏置电路下的稳定因子K曲线和最大增益曲线
  7. 若K或Gain不满足要求，修改电路或更换晶体管
  8. 如果电路中电感为非标准值，则需要将电感值转换为微带线l(mm)=\frac{11.81L(nH)}{Z0\sqrt{\epsilon r}}*24.5（经验公式）
  9. 仿真已选偏置电路下的噪声系数，通过开启S参数仿真控件“Calculate noise”
  10. 输入阻抗求解
  11. 输入阻抗匹配
  12. 输出阻抗求解
  13. 输出阻抗匹配

本质就是一个真实的、接近事实应用环境的晶体管模型，可以直接应用于实际电路设计，其封装的内部电路结构与实际完全一致。

设计指标：NF<0.6dB;Gain>15dB;K>1

由图1、3可知：当vds(vce)=3V、Ids(Ic)在10mA~60mA时满足NF<0.5,且Ids>10mA时，Gain>15dB.

因此可以在Vds=3V，Ids在10mA~60mA时任选一点作为静态工作点满足设计指标。

比如我们选择Vds=3V，Ids=20mA，选好静态工作点后就可以设计偏置电路（ADS自动设计）

导入库 

静态工作点选择（分析福安特性曲线）：

栅极连接Gate，漏极连接Drain，源极接地

VGS_start:栅极起始电压；VGS_stop:栅极终止电压；VGS_point:栅极电压采样点

结果（m1：3V，60mA）

偏置电路设计

自动设计好的偏置电路： 

 查看结果并调整

Vds不足60mA，调整偏置电路

新建原理图改成实际电路 

求解最大资用增益和K 

是否满足Gain>15dB、K>1

隔交流电感：避免交流信号影响直流偏置

隔直流电容：避免交流信号影响直流信号 

K不满足，要么修改电路增加负反馈，要么修改晶体管

 在源极串联电感（微带线电感）改善K值

 求解噪声系数（理想噪声）

通过做匹配使实际噪声无限靠近理想噪声

绘制等增益圆和等噪声系数圆 

选择M2作为匹配点 

需要把 24.187-j6.335匹配到50Ω（直接用smith工具匹配）

 

输出端也要匹配 

结果：

 

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