Prác%ca 2. Diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA)
Sistemas de Radiofrecuencia
Almudena Suárez Rodríguez Franco Ramírez Terán Mabel Pontón Lobete
Departamento de Ingeniería de Comunicaciones
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
Diseño de un amplificador de bajo ruido con el software ADS
Objetivo: Diseño de un amplificador de bajo ruido (LNA) a la frecuencia de 4 GHz con una figura
de ruido de 1.3 dB y máxima ganancia posible.
Pasos a seguir:
1‐ Elección del modelo del transistor.
2‐ Trazado de las curvas características y elección del punto de trabajo.
3‐ Cálculo de los parámetros S.
4‐ Análisis de estabilidad.
a. Cálculo de parámetros y k
b. Trazado de círculos de estabilidad
5‐ Trazado del círculo de figura de ruido contante NF = 1.3 dB.
6‐ Trazado de varios círculos de ganancia disponible constante y elección de la máxima
cumpliendo la especificación de NF.
7‐ Obtención de los valores de impedancia de fuente Zs y carga ZL.
8‐ Síntesis de las redes de adaptación de entrada y salida.
9‐ Verificación del cumplimiento de las especificaciones.
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
1. Elección del modelo del transistor
En primer lugar, se ha de elegir un transistor en el que se basará el diseño del amplificador. En
este caso se ha elegido el transistor MOSFET CFY30. Su modelo está disponible en la librería de
ADS 2009.
2. Trazado de las curvas características y elección del punto de trabajo.
Trazamos las curvas características del transistor y elegimos un punto de trabajo. La hoja de
datos del transistor facilitada por el fabricante puede ser una buena referencia para elegir dicho
punto.
Esquemático para el trazado de las curvas características del transistor
VARVAR1
VDD=3VGG=-1
EqnVar
pf_sms_CFY30_19931018A1
V_DCSRC1Vdc=VGG
I_ProbeI_Probe1 V_DC
SRC2Vdc=VDD
ParamSweepSweep1
Step=-0.25Stop=0Start=-2SimInstanceName[6]=SimInstanceName[5]=SimInstanceName[4]=SimInstanceName[3]=SimInstanceName[2]=SimInstanceName[1]="Sweep2"SweepVar="VGG"
PARAMETER SWEEP
ParamSweepSweep2
Step=0.25Stop=5Start=0SimInstanceName[6]=SimInstanceName[5]=SimInstanceName[4]=SimInstanceName[3]=SimInstanceName[2]=SimInstanceName[1]="DC1"SweepVar="VDD"
PARAMETER SWEEP
DCDC1
DC
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
Curva característica del transistor CFY30 y elección de un punto de trabajo
3. Cálculo de los parámetros S.
A continuación, se trazan los parámetros S del transistor para el punto de polarización elegido.
Esquemático para el cálculo de los parámetros S del cuadripolo en el punto de operación elegido
m1indep(m1)=plot_vs(I_Probe1.i, VDD)=0.014VGG=-0.750000, freq=0.0000000Hz
3.500
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.50.0 5.0
0.00
0.01
0.02
0.03
-0.01
0.04
VGG=-2.000, freq=0.0000HzVGG=-1.750, freq=0.0000HzVGG=-1.500, freq=0.0000HzVGG=-1.250, freq=0.0000Hz
VGG=-1.000, freq=0.0000Hz
VGG=-0.750, freq=0.0000Hz
VGG=-0.500, freq=0.0000Hz
VGG=-0.250, freq=0.0000Hz
VGG=0.000, freq=0.0000Hz
VDD
I_P
robe
1.i
m1
m1indep(m1)=plot_vs(I_Probe1.i, VDD)=0.014VGG=-0.750000, freq=0.0000000Hz
3.500
VARVAR1
VDD=3.5VGG=-0.75
EqnVar
S_ParamSP1
Step=0.1 GHzStop=10.0 GHzStart=0.1 GHz
S-PARAMETERS
TermTerm1
Z=50 OhmNum=1
DC_BlockDC_Block1
TermTerm2
Z=50 OhmNum=2
DC_BlockDC_Block2
I_ProbeI_Probe1
V_DCSRC2Vdc=VDDDC_Feed
DC_Feed1
V_DCSRC1Vdc=VGG DC_Feed
DC_Feed2
pf_sms_CFY30_19931018A1
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
Parámetros S de la red de dos puertos en el punto de operación elegido.
NOTA: Si se dispone de los parámetros [S] del fabricante para el mismo punto de operación o
similar, verificar concordancia.
4. Análisis de estabilidad
a. Analizamos la estabilidad calculando los parámetros (k y ||). Para ello en el datadisplay del análisis de parámetros S (apartado 3), escribimos las correspondientes expresiones y
las trazamos en función de la frecuencia.
Parámetros de estabilidad k y || de la red de dos puertos
1 2 3 4 5 6 7 8 90 10
-4
-3
-2
-1
-5
0
f req, GHz
dB(S
(1,1
))
1 2 3 4 5 6 7 8 90 10
-50
-40
-30
-20
-60
-10
f req, GHz
dB(S
(1,2
))
1 2 3 4 5 6 7 8 90 10
0
2
4
6
-2
8
f req, GHz
dB(S
(2,1
))
1 2 3 4 5 6 7 8 90 10
-4.0
-3.5
-3.0
-4.5
-2.5
f req, GHzdB
(S(2
,2))
Eqn k = (1 -mag(S(1,1))**2 - mag(S(2,2))**2 + delta**2) / (2*mag(S(1,2)*S(2,1)))
Eqn delta = mag(S(1,1)*S(2,2) - S(1,2)*S(2,1))
1 2 3 4 5 6 7 8 90 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.0
1.4
freq, GHz
k
1 2 3 4 5 6 7 8 90 10
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.2
0.8
freq, GHz
de
lta
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
NOTA: El factor k también puede evaluarse directamente utilizando el siguiente elemento en
el esquemático (dentro de la paleta “Simulation‐S_Param”):
PREGUNTA:
¿Cuándo se puede aplicar el criterio de estabilidad de Rollet?
EJERCICIO:
Comprobar si el transistor es incondicionalmente estable a la frecuencia de interés.
b. Trazado de círculos de estabilidad.
El análisis de círculos de estabilidad se hará para la frecuencia de diseño (single point) y
utilizando las correspondientes herramientas que tiene implementadas ADS para ello
(S_StabCircle y L_StabCircle y MaxGain).
StabFactStabFact1StabFact1=stab_fact(S)
StabFact
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
Herramientas para el cálculo de los círculos de estabilidad y ganancia máxima que tiene implementados ADS
Círculos de estabilidad de la red de dos puertos
MaxGainMaxGain1MaxGain1=max_gain(S)
MaxGain
L_StabCircleL_StabCircle1L_StabCircle1=l_stab_circle(S,51)
LStabCircle
S_StabCircleS_StabCircle1S_StabCircle1=s_stab_circle(S,51)
SStabCircle
indep(S_StabCircle1) (0.000 to 51.000)
S_
Sta
bC
ircle
1
indep(L_StabCircle1) (0.000 to 51.000)
L_
Sta
bC
ircle
1
Eqn ZonaL = l_stab_region(S) Eqn ZonaS=s_stab_region(S)
ZonaS
Outside
ZonaL
Outside
freq
4.000 GHz
MaxGain1
14.005
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
EJERCICIO:
Verificar las zonas estables e inestables en la carta de Smith.
Calcular la máxima ganancia estable
5. Trazado del círculo de figura de ruido contante NF = 1.3 dB.
Para el trazado del círculo de figura de ruido constante se ha de habilitar previamente el análisis
de ruido fijando además la temperatura a 290 °K (16.85 °C), como se muestra a continuación:
Habilitamos el análisis de ruido en el esquemático mediante el bloque OPTIONS
Trazamos el círculo de figura de ruido constante para NF = 1.3 dB con la herramienta NsCircle
dentro de la paleta Simulation‐S_Param.
OptionsOptions1
MaxWarnings=10GiveAllWarnings=yesI_AbsTol=I_RelTol=V_AbsTol=V_RelTol=Tnom=25Temp=16.85
OPTIONS
NsCircleNsCircle1NsCircle1=ns_circle(1.3,NFmin,Sopt,Rn/50,51)
NsCircle
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
Círculo de figura de ruido contante NF = 1.3 dB
6. Trazado de varios círculos de ganancia disponible constante y elección de la máxima
cumpliendo la especificación de NF
Con la herramienta GaCircle dentro de la paleta Simulation‐S_Param, trazamos varios
círculos de ganancia disponible constante y elegiremos la máxima cumpliendo la
especificación de figura de ruido.
Círculos de figura de ruido contante NF = 1.3 dB y distintas ganancias disponibles constantes
cir_pts (0.000 to 51.000)
NsC
ircl
e1
GaCircleGaCircle1GaCircle1=ga_circle(S,{11,11.5,12,12.5},51)
GaCircle
cir_pts (0.000 to 51.000)
Ga
Cir
cle
1
m1
NsC
ircl
e1
m1indep(m1)=GaCircle1=0.561 / 103.815gain=11.500000impedance = Z0 * (0.433 + j0.688)
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
PREGUNTA:
¿Cuál es el valor de s que proporciona máxima ganancia con la especificación de NF?
7. Obtención de los valores de impedancia de fuente Zs y carga ZL
Calculamos el valor de out para el cuadripolo cargado con s a la entrada y a continuación
obtenemos calculamos los valores para ZS y ZL.
Para ello nos podemos ayudar del siguiente esquema:
En el datadisplay podemos escribir las ecuaciones necesarias para este cálculo.
Cálculo de los valores de impedancia de fuente Zs y carga ZL para el diseño
12 21i 11
22 Ln
LS S S
1 S
Two port[S]ZS ZL
DC solution
inout
12 21ou
S2
11t
S2
S S S
1 S
SL
Eqn Gout = S(2,2) + S(1,2)*S(2,1)*GS/(1-S(1,1)*GS)
Eqn GS = polar(0.561,103.815)
Eqn GL = conj(Gout)
Eqn ZL = stoz(GL)Eqn ZS=stoz(GS)
ZS
21.650 + j34.422
freq
4.000 GHz
ZL
22.406 + j51.135
freq
4.000 GHz
GL
0.655 / 83.122
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
EJERCICIO:
Verificar que L no cae en zona inestable.
Verificación de la estabilidad de L
8. Síntesis de las redes de adaptación de entrada y salida
Con las herramientas que se consideren oportunas, se calcularán las redes de adaptación de
entrada y salida.
Red 1 Ejemplo de red de adaptación de entrada y salida
EJERCICIO:
Diseñar las redes de adaptación con elementos discretos y con elementos distribuidos
ideales. En los casos que sean viables, implementar las DC_Feed y los DC_block como
parte de la red de adaptación.
indep(L_StabCircle1) (0.000 to 51.000)
L_
Sta
bC
ircl
e1
(0.000 to 0.000)
po
lar(
0.6
55
,83
.12
2)
CC3C=0.8831 pF
LL3
R=L=3.024 nHL
L1
R=L=2.355 nH
CC1C=0.9106 pF
TermTerm2
Z=50 OhmNum=2
TermTerm1
Z=50 OhmNum=1 pf_sms_CFY30_19931018
A1
DC_FeedDC_Feed2
V_DCSRC1Vdc=VGG
DC_FeedDC_Feed1
V_DCSRC2Vdc=VDD
I_ProbeI_Probe1
DC_BlockDC_Block2
DC_BlockDC_Block1
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PRÁCTICA 2: DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (LNA)
PREGUNTA:
¿Cuáles son las principales diferencias entre ambas redes de adaptación? ¿Presentan
alguna limitación?
9. Verificación del cumplimiento de las especificaciones
Una vez concluido el diseño comprobamos que se cumplen las especificaciones de figura
de ruido y ganancia.
Resultados de figura de ruido y ganancia para el diseño a 4 GHz
freq
4.000 GHz
nfnf(1) nf(2)
13.859 1.301
freq
4.000 GHz
dB(S(2,1))
11.502
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