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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

Este tema se publica bajo Licencia: Crea:ve Commons BY-‐NC-‐SA 4.0

https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.es

1

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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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

3


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

4


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

5


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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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

7


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

8


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)

48

9


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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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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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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