80216e 低噪声放大器设计.doc

精品论文推荐802.16e 低噪声放大器设计徐天翱，陈永泰 武汉理工大学信息工程学院，武汉（430070） E-mail：quin619摘要：本文利用安捷伦的 E-pHEMT(增强型伪高电子迁移率晶体管)GaAsFET ATF-551M4， 设计了一个基于环氧树脂玻璃布层压板 FR4 工作在 3.4-3.6GHz，可用于 IEEE802.16e WiMAX客户端设备(CPE)和基站(BTS)的低噪声放大器。 关键词：wimax，802.16e，低噪声，FR41引言目前对于低噪声放大器可供选用的板材很多，有代表性的常用板材有：环氧树脂玻璃布 层压板 FR4、多脂氟乙烯 PTFE、聚四氟乙烯玻璃布 F4、改性环氧树脂 FR4 等。特殊板材 如：卫星微波收发电路用到蓝宝石基材和陶瓷基材；微波电路基材 GX 系列、RO3000 系列、 RO4000 系列、TL 系列、TP-1/2 系列、F4B-1/2 系列。它们使用的场合不同，如 FR4 多用于3GHz 以下混合信号电路、多脂氟乙烯 PTFE 多用于多层高频电路板、聚四氟乙烯玻璃布纤维 F4 用于微波电路双面板、改性环氧树脂 FR4 用于家用电器高频头（500MHz 以下）。FR4 板材(=0.04, r=4.6)的高的插损因数()以及相应变化的介电常数(r)通常限制了其在 3GHz 以上的应用，但是由于 FR4 板材易加工、成本低、便于层压，所以得到广泛应用。随着 WiMAX 作为替代光纤解决“最后一公里”宽带接入方案的急速发展，人们正在设计并测试工作于 3.4 到 3.6GHz 左右的 WiMAX 客户手持设备(CPE)和基站(BTS)。因此，在 FR4 板材上设计 WiMAX 电路能够帮助降低收发信机的成本。基于理论分析和 ADS 仿真，本文给出了一个 利用安捷伦 E-pHEMT GaAsFET ATF-551M4，成功设计了一个基于 FR4 板材上的 WiMAX 低噪声放大器。2元件和模拟软件分析在 3.5GHz，只需要给该 E-pHEMT 低噪声放大器 5V 单电源供电，就可以获得 0.7dB 的 噪声系数(NF), 14dB 增益，+14.8dBm 输出 1dB 增益压缩点(OP1dB), +29dBm 三阶交调点 (OIP3)，-7dB 输入回波损耗(IRL)以及-37dB 输出回波损耗(ORL)的射频指标。为了获得好的噪声系数和增益的同时获得好的线性度，选取该器件沟道电流(Ids)为30mA，漏极到源极电压为 3V，从而栅极到源极电压为 1.1V。根据 ATF-551M4 的 datasheet1，-7-该 E-pHEMT 晶体管具有如下典型值：Fmin=0.55dB, Ga=16.45dB,opt = 0.25100.1°。S11 = 0.661157.3°通过使用安捷伦的 Advanced Design System 2006 软件，可以对该电路线性和非线性工 作模式分别进行仿真。利用双端口 S-参数文件进行增益，噪声系数以及输入/输出回波损耗 的仿真，而 ADS 的器件模型则可以用来仿真偏置条件和线性度。由于在电路板调试中的重 要性，电阻、电感、电容以及微带线的精确的等效模型对于精确仿真至关重要。因此，该设计中分别使用了 Toko 和 Murata 的器件模型作为电感和电容模型，而 FR4 板材供应商提供的板材特性则被规定在微带线模型中。图 1 是该电路的电原理图。3输入端匹配射频输入端匹配在低噪声放大器设计中通常都起着关键性的作用。其不仅仅被用于获得低的噪声系数，同时它还可以用于获得更高的IIP3，更高的增益以及输入回波损耗。另外，由于在收发信机系统中在低噪声放大器前面会有一个滤波器，差的低噪声放大器输入回波损 耗会恶化滤波器的性能，从而影响整个系统的性能。因此，输入端匹配的目的就是在保持较 好的增益和IIP3的同时获取更好的回波损耗和噪声系数。*从3V30mAs2p文件中知道该晶体管的S11= 0.661157.3° ，偏离opt = 0.25100.1° 较多。这意味着在想要得到好的输入回波损耗的同时就得牺牲噪声系数，或者说在获得低的噪 声系数的时侯，输入端驻波比会比较高。解决这种矛盾的最好的方法就是在得到低的噪声系11数的同时获得好的输入驻波比。这可以通过一个负反馈网络将 S * 拉近 opt来实现。VinL L3Input CEE_FET3EE_FET1 R R2LC C4VoutLC5 OutputNum=1 C1 L1Z=50 OhmRL LL1L LL2Num=2Z=50 OhmR CCR1CC3RR3 R R4R5 C6 V_DC Vdc Vdc=5 V图 1 ATF-551M4 低噪声放大器电路原理图4负反馈匹配和稳定与大多数晶体管一样，公共接地反馈会显著影响 Atf-551M4 的 RF 参数，一个小感抗在 某些频率上有助于 RF 稳定，而在其他频率上正相反2。所以在进行仿真时把元件的两个源 极接地点都包括起来了。根据 H. Nyquist 的理论，任何阻抗的噪声都取决于其电阻部分，一个理想的无损耗元件 应用于负反馈网络并不会对 NFmin 造成影响3。RgGDCgsGgmVcVcRdsDCdsSSS图 2 场效应管模型1在图 2 中， Zin = Rg +(1)jCgs在图 3 中，通过在晶体管的源极引脚加源极电感 Ls，输入电压可以重写为：V = Ig(R +1) + ( I+ g V )gj L(2)gsgggjC gm csGDZinVgCgsVcgmVcIs=Ig+gmVc由于Vc =I gjCgs图 3 加有负反馈电感的场效应管模型(3)那么 Vg 可以表达为：V = I (R +1) + (I + gIg)gj Lggggms= I g(RjCgs+1jCgs+ gm Ls + j L )(4)ggsjCgs因此等效输入阻抗为：CgsVZ ' = g= (R+ jL ) + (1+ gm Ls )(5)Iingsg 1jCgsgm LsCgs在公式(5)中，jCgs+是由源极电感引入的输入阻抗，其电阻和电感部分可以帮Cgs11助将 S * 拉近opt 。通常情况下， Ls应该是一个根据公式推导优化而得的小电感。基于以上分析，通过在晶体管的两个源极端分别加上一段小微带线(宽度=20mil 长度=30mil)和接地过孔，就可以实*现该电感的功能。根据测量结果，该微带线在未改变opt(代表 NFmin)的同时确实将 S11拉近了 opt 。由于该反馈是负反馈，在增加反馈的同时会降低增益。在该电路中，由于电感 分量比较小，增益并未减小太多。5输入匹配网络设计该放大器为噪声匹配和输入返回损耗匹配同时使用了一个高通 型匹配网络4， 型匹 配网络包含两个并联电感(L1 和 L3)和一个串联电容(C1)。高通拓扑特别适合减少低频增益， 这样可以最大化的减小蜂窝电话以及寻呼机对于超载的敏感度。L1 是插入栅电压偏置ATF-551M4。C2 是旁路电容，其中 C1 也是隔断直流电容。L1 和 L3 的 Q 值非常重要，低Q 的话，不仅插入损耗将非常大，而且会增加噪声系数，所以这里必须仔细的选择。 在输出端设计了一个低通的匹配结构，包括一个并联的电感(L2)和一个串联的电容(C4)。L2 和 C4 提供了一个对于输出返回损耗和高 OIP3 最合适的匹配网络，除了作为匹配 网络的作用以外，L2 的作用还有 RF 阻塞并为 LNA 提供漏极电压，C2 还是一个耦合电容， 在 LNA 后还包括一个串联电阻 R2，这里 R2 起到提高大带宽的稳定性，在输出的任何损耗 都会影响 P1dB 和 OIP3，这个 2 欧姆的电阻在宽带稳定性和 OIP3 中进行了较好的折衷。实 际上 R2 对于输出返回损耗的影响不超过 1dB，这是可以接受的。根据仿真结果，该输入匹 配网络可以帮助达到-7dB 输入回波损耗和 0.75dB 噪声系数。6直流偏置ATF-551M4 的直流偏置选用的是 R3 和 R4 分压，分压器的电压来源于漏极电压，而漏 极电压通过 R5 是漏极电流恒定，在 FET 损耗恒定的情况下，通过 R1 连接栅极的分压器通 常连接在负电压源上。另外 R1 在增强模式下限制了电流，这对于 P1dB 和 Psat 非常重要。 电阻 R5 是根据 Vds，Ids 和可用电源电压来计算得出的。R5 = VDD VdsIds + I BB(6)其中VDD 为电源电压，Vds 为漏源电压， Ids 为漏源电流， I BB 为流过 R3/R4 电阻分压网络的 电流。电阻 R3,R4 的值通过以下公式计算的出。V R3 =gsI BB(VV )R3（7）R4 =DDgsVgs（8）VDD =5V,Vds =3V,Ids =30mA,Vgs =1.1VI BB 至少要比 Ids 小 10 倍，这里我选取 I BB 为 0.16mA,得出R3=6875，R5=67，R4=243757结论通过理论分析和 ADS 仿真，本文设计了一个用 ATF-551M4 基于 FR4 板材上的3.43.6GHz 低噪声放大器。该放大器提供了一个噪声系数 0.7dB，增益 14dB,和非常好的 OIP3（+29dB），该低噪声放大器还可以用作射频卡和客户手持设备的功放驱动放大器。仿真结 果验证了在 FR4 板材上设计 3.5GHz WiMAX 电路的可行性。从 3.4GHz 到 3.6GHz 的整个 WiMAX 工作频段，FR4 并不会对噪声系数和增益带来很大的影响。图 4 噪声系数图 5 低噪声放大器增益图 6 输入输出返回损耗图 7 稳定性表 1 物料清单及其作用MTEE_ADS Tee1Subst="MSub1"W1=50.0 mil W2=50.0 mil W3=50.0 milGRM15C1PartNumber=GRM1555C1H1R3CZ01MTEE_ADS Tee2Subst="MSub1"W1=50.0 mil W2=50.0 mil W3=50.0 milS2P SNP3File="D:usersdefaultLNA_re_pr jdataf551m43d.s2p"TermTerm1Num=1MLIN TL1MLIN CCI_0402CSTL2MLIN TL3MLIN MLIN TL7MSTEP Step3MLIN TL81Re f2MLINZ=50 OhmSubst="M Sub1"SNP1Subst="MSub1"Subst="MSub1"TL4Subst="MSub1S"ubst="MSub1S"ubst="MSub1"TL10Noise=yesW=50.0 milFile="04CS2NW0=.S502.P0"milW=50.0 milSubst=W"M=S5u0b01"milW1=50.0 mil W=10.0 milSubst="MSub1" L=200.0 milTemp=25Type=2.0 nHL=10.0 milL=30.0 milW=50.0L=m6i0l .0 milL=20.0 milW2=10.0 mil L=10.0 milW=20.0 mil L=30.0 milVIA2V1D=15.0 mil H=31.0 mil T=0.15 milVIA2V2D=15.0 mil H=31.0 mil T=0.15 milCCI_0402CSSNP2File="04CS10N.S2P" Temp=25Type=10.0 nHVIA2V4D=15.0 milH=31.0 milVIA2V5D=15.0 milH=31.0 mil Rho=1.0 Rho=1.0MLINT=0.15 milT=0.15 milW=25.0 milW=25.0 milGRM15C2PartNumber=GRM1555C1H6R8DZ01TL5Subst="MSub1" W=50.0 mil L=50.0 milMSTEPStep1Subst="MSub1" W1=50.0 mil W2=20.0 milMLINTL6Subst="MSub1" W=20.0 mil L=20.0 milMSTEPStep2Subst="MSub1" W1=20.0 mil W2=50.0 milRho=1.0 W=20.0 mil Rho=1.0W=20.0 milVIA2V3GRM18C3RR1R=18 OhmD=15.0 milH=31.0 milT=0.15 milPartNumber=GRM188F51E105ZA12RRho=1.0W=50.0 milRR2R=6.8 kOhmR3R=24 kOhmMT EE_ADS T ee3Subs t="MSub1" W1=50.0 mil W2=50.0 mil W3=50.0 milGCM18C4PartNumber=GCM1885C1H1R5CZ13MLIN TL9MST EP Step4MLIN T L11MST EP Step5MLIN T L12MST EP Step6MLINRT L13R4MLIN T L14MLIN LT L15MLIN T L16TermTerm2Num=2Subs t="MSubS1"ubs t="MSubS1"ubs t="MSub1S"ubs t="MSubS1"ubs t="MSubS1"ubs t="MSub1S"ubs t="MSubR1=2 OhmS ubs t="MSub1" L1S ubs t="MSub1"S ubs t="MSub1"Z=50 OhmW=10.0 milL=10.0 milW1=10.0 milW2=50.0 milW=50.0 milL=30.0 milW1=50.0 milW2=20.0 milW=20.0 milL=14.0 milW1=20.0 milW2=50.0 milW=50.0 milL=30.0 milW =50.0 milL=20.0 milL=1.8 W =50.0 milnHOhmR=0.12L=100.0 milW =50.0 milL=300.0 milNois e=yesS-PARAMETERSS_ParamSP1Start=2.0 GHz Stop=5.0 GHz Step=0.01 GHz Calc Nois e=yesOPTIONSOptionsOptions 1Temp=25T nom=25T opologyChec k=yesV_RelT ol= 1e-6I_RelT ol= 1e-6GiveAllWarnings =yesMaxW arnings =10MSubMSUB MSub1H=31.0 milEr=4.6Mur=1Cond=1.0E+50Hu=3.9e+034 milT =1.5 milT anD=0.005Rough=0.1 milVIA2V6D=15.0 mil H=31.0 mil T =0.15 mil Rho=1.0MS T EP Step8Subs t="MSub1" W1=50.0 mil W2=20.0 milMLIN T L18Subs t="MSub1" W=20.0 mil L=20.0 milMST E PStep10Subs t="MSub1"W=50.0 milW1=20.0 milW2=50.0 milGRM15C5R GRM03R5 C6R=68 Ohm PartNumber=GRM033R71A103KA01PartNumber=GRM1555C1H1R8CZ01V_DC SRC1Vdc =5.0 V图 8 详细电路图参考文献1 Data Sheet, Agilent ATF-551M4 Low Noise Enhancement Mode Pseudomorphic HEMT in a MiniatureLeadless Package, Agilent Technologies, Inc., 2005.2 (美)吉尔摩/贝斯 现代无线系统射频电路实用设计(卷有源电路与系统),电子工业出版社,2006,第二章.3J. Engberg and T. Larsen, Noise Theory of Linear and Nonlinear Circuits, John Wiley & Sons, 1995, Chapter6.4 A 3.5GHz WiMAX Low Noise Ampliier for CPE and BTS Application Using ATF-551M4 Application Note5328A 802.16e Low Noise AmplifierXu Tianao，Chen YongtaiDepartment of Information Engineering，WuHan University of Technology，WuHan(430070)AbstractIn this paper, E-pHEMT GaAsFET ATF-551M4 was used based on the design of FR4 in 3.4-3.6GHz with IEEE 802.16e WiMAX for customer premises equipment (CPE) and base stations (BTS) LowNoise Amplifiers.Keywords：wimax，802.16e，LNA，FR4作者简介：徐天翱，男，1985 年生，硕士研究生，主要研究方向是信号处理与信息安全技 术。