一种ADS、Cadence软件联合仿真的LNA设计方法

谢 标，赛景波

（北京工业大学 电子信息与控制工程学院 北京 100022）

一种ADS、Cadence软件联合仿真的LNA设计方法

谢 标，赛景波

（北京工业大学 电子信息与控制工程学院 北京 100022）

为提高无线通信系统的接收灵敏度，低噪声放大器的设计尤为重要。基于Avago公司的高电子迁移率晶体管ATF54143芯片的2.4G～2.5G ISM频段范围低噪声放大器的设计，采用安捷伦公司的ADS软件设计、制作原理图并进行仿真，然后利用Cadence公司的Allegro SPB软件设计并制作原理图和PCB版图，最后将PCB版图导入到安捷伦公司的ADS系列软件中进行联合仿真，反复调整得到的仿真结果显示放大器工作在绝对稳定状态，噪声系数（NF）低于0.7，增益可达15dB。

ATF54143； ADS； Cadence； 联合仿真

低噪声放大器(LNA)位于射频接收机的前端，其主要功能是对天线接收到的微弱信号进行放大，减少噪声干扰。在低噪声放大器的设计过程中，需要综合考虑其放大能力、噪声系数和匹配等因素，这需要大量的理论计算和Smith圆图分析，给设计工作带来困难。Advanced Design System(ADS)软件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA软件基础上发展完善的综合设计软件，内含很多进行小信号放大器设计的控件，能实现大量的计算和Smith圆图分析。其功能非常强大，仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段，并可对设计结果进行成品率分析与优化，从而大大提高了复杂电路的设计效率，是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。Cadence公司的Allegro SPB系列软件具有强大的PCB设计功能，采用以上两种软件联合仿真的设计方法，不仅可以得到比较理想的设计参数，而且发挥了两种软件的长处，成功降低了设计成本，提高设计效率。

1 放大器设计方案选择

图1是晶体管放大器电路原理框图，其中Γs表示源反射系数，ΓL表示负载反射系数。不同的Γs和ΓL将影响放大器的稳定性、噪声系数、增益、驻波等参数。设计放大器的过程就是根据放大器的S参数，以及噪声系数增益、功率输出等的要求来确定Γs和ΓL，然后根据Γs和ΓL确定输入、输出匹配网络。

图1 晶体管放大器电路原理框图Fig. 1 Principle diagram of transistor amplifier

该放大器设计方案具有良好的输入、输出驻波比以及增大3 dB的功率容量等优点。该结构能保证了良好的输入和输出匹配，以确保放大器的稳定工作。

2 放大器仿真设计

本设计的设计目标为：1）工作频率2.4～2.5 GHz；2）增益Gain大于10 dB；3）噪声系数(NF)小于0.7；4）输入输出阻抗为50 Ω。5）VSWR in小于1.5；VSWR out小于1.5。

放大器设计过程如下:

1）选择晶体管并进行直流分析DC Tracing

根据设计目标选用安捷伦科技公司的高动态、低噪声PHEMT场效应管 ATF54143设计LNA，首先是通过直流仿真电路确定晶体管的直流工作点。

图2 晶体管的直流仿真电路Fig. 2 Simulation of the transistor direct circuit

由图3 ATF54143的直流仿真结果，结合数据手册可以看出噪声和Vgs和Ids的关系如图4，从而确定晶体管的工作点。

从图4可以看出在2 GHz时，当Vgs=3 V且Ids=20 mA时，Fmin接近最小值。此时增益大约为16 dB，能充分满足了设计要求，也体现了采用该器件使得放大器在提高增益方面的优势，结合图3直流仿真结果设置晶体管的直流工作点为Vds=3 V，Igs=20 mA。

2 )偏置电路设计

根据晶体管选择好的直流工作点，选择ADS中“Transistor Bias Utility”控件，即可计算出偏置电阻的值。

3 )稳定性分析

稳定性是LNA电路必须考虑的，放大器的稳定性是指对振荡的抑制水平，必须保证放大器的稳定性，以避免可能出现的自激，设计时要进行加入稳定器件进行稳定性分析，加入稳定性器件的电路图如图5所示。

图4 ATF54143直流偏置特性Fig. 4 DC bias characteristics of ATF541343

图5 加入稳定性器件的电路图Fig. 5 Join the stability device of the circuit diagram

放大器的直流和交流通路之间要添加射频扼流电路，它实质是一个无源低通电路，使直流偏置信号(低频信号)能传输到晶体管引脚，而晶体管得射频信号不要进入直流通路，实质中一般是一个电感，有时也会加一个旁路电容接地。但电路仍处于不稳定的状态，为使系统稳定最常用的办法就是添加负反馈，考虑如果采用实际电感，则分立器件本身和焊接等不确定寄生参数影响太大，所以这里用感性的微带线来代替。

4）阻抗匹配

低噪声放大器与其信号源的匹配是很重要的。放大器与源的匹配有两种方式：一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配，二是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配。在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压低增益，以保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。

ADS 提供了多种方便快捷的匹配网络设计工具，如无源电路的集总参数元件、微带单枝节、微带双枝节等多种元件，文中利用ADS 的smith 圆图综合工具很清晰方便的实现自动匹配网络设计。其方法是在元件面板列表选择实用Simth 圆图工具Smith Chart Matching，然后在工具菜单栏中选择Smith Chart Utility 工具，输入负载反射系数后，就可以利用ADS 所提供的这种智能元件进行阻抗匹配设计，最后自动生成子网络。由于匹配电路的拓扑结构多样，应选择一种简单且便于实际工程设计的网络结构，本文采用匹配网络微带电路。

低噪声放大器设计中，输入、输出匹配网络的设计是在获得噪声系数、增益指标的前提下，将晶体管的输入阻抗、输出阻抗分别变换到标准的50 Ω。通常低噪声放大器的最大增益和最佳噪声系数不可能同时获得，因此，在设计的过程中需要对增益和噪声系数等指标取折衷，以满足设计指标的要求。放大电路的设计根据ATF54143的小信号S参数计算出放大器中心频率的输入、输出阻抗，输入阻抗Zin=50×(23.67+j*20.67)，输出阻抗Zout=50×(52.04-j*36.23)，采用共轭匹配的方法从而进行输入和输出匹配电路的设计，仿真结果如图6所示。

5）匹配网络的实现

前面用到的都是理想微带线，其参数只有特征阻抗、电长度和频率，需要把它转换成实际的标明物理长宽的微带线，使用ADS自带的LinCale工具可方便计算出物理长度。

图6 放大电路的S参数Fig. 6 S parameters of the amplifier circuit

3 放大器的原理图设计

本文采用Allegro SPB设计低噪声放大器的版图然后导出.IFF格式的文件，在ADS中建立一个新的Layout设计工程，将.IFF文件导入到该工程下，将Allegro SPB中的PCB版图导入到ADS中，对版图和介质板等的参数进行设置，然后将版图封装成元件，插入到ADS原理图中进行联合仿真，得到低噪声放大器的S参数和噪声系数等参数，进行谐波平衡仿真查看输出信号频谱图，并比较输入信号和输出信号的波形和放大倍数，全面验证版图设计的正确性，提高版图设计的成功率。

根据ADS中的原理图利用Allegro SPB软件设计满足工程设计要求的电路图，并创建所有元件的封装，导出网表文件，工程原理图如图7所示。

4 原理图-版图联合仿真与实物图

ADS软件具有独特的联合仿真功能，绘制好版图之后，将设计好的版图封装成一个元件，在原理图中调用该元件，再加入原理图中相应的设计器件，最终合成一个由原理图和版图共同组成的综合电路图。通过联合仿真与谐波平衡仿真查看输出信号频谱图，并比较输入信号和输出信号的波形和放大倍数，全面验证版图设计的正确性，提高版图设计的成功率，仿真结果图如图8～图10所示，PCB设计实物图如图11所示。

图7 Allegro SPB软件设计的工程原理图Fig. 7 Allegro SPB software engineering principles of the design

5 结 论

为实现无线通信系统中接收机较高的灵敏度，文中提供了一种基于ADS和Cadence联合仿真[8]的低噪声放大器设计方法。该放大器可以有效增加设备的灵敏度和接收覆盖范围，同时具有低功耗、低成本的优点；采用Avago的低噪声晶体管放大器ATF-54143，利用负反馈在保证噪声系数较低的同时获得最佳的输入/输出驻波比，且放大器工作在绝对稳定状态。最后通过ADS软件的联合仿真，得出最接近实际电路的仿真结果，仿真结果符合设计指标预期指标，且实际电路的测试结果也基本满足要求。

图8 联合仿真的放大器S参数Fig. 8 Joint simulation amplifier'S parameters

图9 LNA的输入信号与输出信号波形图Fig. 9 LNA input signal and output signal waveform figure

图10 LNA的输出信号频谱图Fig. 10 Output signal spectrum diagram of the LNA

图11 LNA实物图Fig. 11 Material object of LNA

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A method of ADS Cadence software co-simulation of LNA design

XIE Biao, SAI Jing-bo
（ College of Electronic Information and Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China）

In order to improve the receiving sensitivity of the wireless communication system, low noise amplifier design is particularly important. The design of the low noise amplifier based on Avago high mobility transistor ATF54143 chip at the range of 2.4 G to 2.4 G ISM frequency, using Agilent ADS software to design and product schematic diagram and simulation, and then use Cadence's Allegro SPB software design and product schematic diagram and PCB layout,the final PCB layout import to agilent ADS series software on joint simulation, repeated adjustment obtained in the simulation results show the amplifier in absolutely stable state, noise figure (NF) less than 0.7, the gain up to 15 db.

ATF54143; ADS; Cadence ; Co-simulation

TN722.3

A

1674-6236(2014)03-0023-05

2013–04–18 稿件编号：201304230

谢 标(1987—)，男，湖南永州人，硕士研究生。研究方向：无线通信 、射频微波电路设计及嵌入式系统。