LNA Design Procedure• Read Specification• Choose Device and get a Data Sheet• Prepare S2P data file included noise parameter• Check Stability and Add Stabilizer• Plot Noise circle and Available Gain circle• Tuning ΓS ( andΓL) yield to meet Specific.• Using SmithChart Utility to Matching Circuit• Layout
Refining Design closer to reality
from ideal...
…closer to reality
SP,HB Simulation...
EM,CoSimulation...
Summary of LNA Data
Sim. Parameter Specification CommentsSS Frequency Range 2.4 – 2.483 MHz ISM Band SS DC Current < 7 mASS DC Voltage, Vcc 3.0 V SS VCE 2.5 V BFP640:VCEMAX= 4.0VSS Gain 15 dB min. SS Noise Figure Target: < 1.0 dB. SS Input Return Loss 10 dB min. SS Output Return Loss 10 dB min. SS Reverse Isolation TBDHB Output P1dB +3.2 dBm @ 2400 MHz HB Input 3rd Order Intercept +12 dBm @ each tone. 2400 and
2401 MHz,
P1dB Compression and TOI(IP3)
Saturated output power
P1dB
Out
put P
ower
(dB
m)
Input Power (dBm)
Compression region
Linear region(slope = small-signal gain)
Psat
TOI(IP3)
Surface Mount ComponentsSize Length(mm/mil) Width(mm/mil) 0402 1.0/40 0.5/20 0603 1.6/64 0.8/32 0805 2.0/80 1.25/50 1206 3.2/128 1.6/64 1210 3.2/128 2.5/100
Choosing Substrate Thickness and Dielectric Constant
3 4 5 6 7 8 92 10
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
-1.4
0.0
W=30.000
W=50.000
W=70.000
ER
dB(S
(2,1
))Substrate H=30 mil
04020603
0805
Choosing Substrate Thickness and Dielectric Constant
4 6 82 10
-6
-4
-2
-8
0
W=25.000
W=50.000
W=75.000
ER
dB(S
(2,1
))Substrate H=10mil
Linear versus Non- Linear Models
Linear Models•valid for one bias condition•valid for small signalNon- Linear Models
•device completely characterized•valid for all bias conditions•valid for non-linear operation
!AT-41411 Typical Scattering Parameters,!Common Emitter, ZO = 50 W, TA=25°C, VCE=8 V, ICE =E 10 mA!Freq. S11 S21 S12 S22
# GHz S MA R 50
!GHz Mag. Ang.(Mag.) Ang. Mag. Ang. Mag. Ang.
0.1 .85 -30 23.20 158 .013 64 .93 -110.5 .58 -112 12.18 109 .035 44 .62 -301.0 .49 -156 6.70 85 .044 43 .50 -331.5 .49 178 4.58 71 .056 47 .46 -362.0 .50 160 3.45 59 .068 47 .45 -412.5 .53 153 2.82 53 .075 56 .43 -433.0 .55 142 2.37 43 .089 54 .43 -53
BJT_ModelBJTM1
AllParams=Xti=3Xtb=-1.42Eg=1.078Trise=Tnom=24.85Approxqb=yesRbModel=MDSLateral=noFfe=
Nk=Ns=Iss=Rbnoi=Fb=Ab=Kb=Af=2Kf=7.291E-11Tr=0.2 nsecPtf=0Itf=0.4 AVtf=1.5 VTf=1.8 psecXtf=10
Fc=0.8Mjs=0.27Vjs=0.6 VCjs=93.4 fFXcjc=1Mjc=0.5Vjc=0.6 VCjc=67.43 fFMje=0.3Vje=0.8 VCje=227.6 fFImelt=Imax=Cco=Cex=
Dope=Rcm=Rcv=Rc=3.061 OhmRe=0.6 OhmRbm=2.707 OhmIrb=1.522 mARb=3.129 OhmVbo=Gbo=Cbo=Nc=1.8C4=Isc=400 fAKc=
Ke=Ikr=3.8 mAVar=2 VNr=1Br=55Ne=2C2=Ise=21 fAIkf=0.15 AVaf=1000 VNf=1.025Bf=450Is=0.22 fAPNP=noNPN=yes
BJT_NPNBJT1
Mode=nonlinearTrise=Temp=Region=Area=Model=BJTM1
RRBSR=1200 Ohm
PortENum=3
PortCNum=1
PortBNum=2
RRESR=300 Ohm
RRCSR=1200 Ohm
CCBEIC=180.4 fF
CCCEIC=112.6 fF
CCBEOC=102.5 fF
CCCEOC=131.2 fF
CCCSC=75 fF
CCBSC=79 fF
CCESC=180 fF
CCBCCC=55.9 fF
CCBECC=98.4 fF
LLEB
R=L=230.6 pH
LLCB
R=L=682.4 pH
LLBB
R=L=696.2 pH
LLEC
R=L=20 pH
LLCC
R=L=120 pH
LLBC
R=L=120 pH
Prepare and Read S2P Format(Touchstone)
# [HZ/KHZ/MHZ/GHZ] [S/Y/Z/G/H][MA/DB/RI] R 50 # GHz S MA R 50
Measuring S-Parameter For Modeling and Design
Two-port calibration reference plane
DUT
Mathematically extended reference plane
De-embeddingexternal software required Accurate S-
parameter data (from model or measurement)
Verify Spice Model
Vc
Place packaged component here:
Place S-parameter-based component here:DCDC1
DC
I_ProbeIC
V_DCVBBVdc=0.84317 V tune{ 0.25 V to 1 V by 1e-005 V }
S_ParamSP1
Lin=Stop=6.0 GHzStart=0.1 GHz
S-PARAMETERS
V_DCVCCVdc=2.5 V
BFP640_SPICEQ2
TermTerm2
Z=50 OhmNum=2
BFP640_SPQ1
DC_BlockDC_Block2
DC_FeedDC_Feed2
TermTerm1
Z=50 OhmNum=1
TermTerm4
Z=50 OhmNum=4
DC_FeedDC_Feed1
DC_BlockDC_Block1
TermTerm3
Z=50 OhmNum=3
ModelVerif.dsn
Verify S
pice Model by
Com
pare S-P
arameter
freq (100.0MHz to 6.000GHz)
S(1
,1)
S(3
,3)
freq (100.0MHz to 6.000GHz)
S(2
,2)
S(4
,4)
-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10-0.15 0.15
freq (100.0MHz to 6.000GHz)
S(1
,2)
S(3
,4)
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-25 25
freq (100.0MHz to 6.000GHz)
S(2
,1)
S(4
,3)
ModelVerif.dds
Adding Stablizer CKT
LL1
R=L=22 nH tune{ 0 nH to 44 nH by 2.2 nH }
RR1R=39 Ohm tune{ 0 Ohm to 78 Ohm by 3.9 Ohm }
TermTerm2
Z=50 OhmNum=2
TermTerm1
Z=50 OhmNum=1
sp_hp_AT-41411_1_19921201SNP2
Noise Frequency="{0.10 - 4.00} GHz"Frequency="{0.10 - 4.00} GHz"Bias="Bjt: Vce=8V Ic=10mA"
Example A:Design for Max Gain(一)GammaMS[m1]
0.707 / 162.575GammaML[m1]
0.621 / 9.583
NF=3.1
GammaS
GammaIN
GammaMS
GammaL
GammaOut
Impedance Matching Using SmithChart Utility
DA_SmithChartMatch1_DesignAAmpDA_SmithChartMatch1
Z0=50 OhmZl=(8.768-j*7.432) OhmZs=50 OhmF=1 GHz
DA_SmithChartMatch2_DesignAAmpDA_SmithChartMatch2
Z0=50 OhmZl=50 OhmZs=(190.7-j*64.1) OhmF=1 GHz
LLstab
R=L=22 nH
RRstabR=39 Ohm Term
Term2
Z=50 OhmNum=2
TermTerm1
Z=50 OhmNum=1
GammaMS[m1]0.707 / 162.575
GammaML[m1]0.621 / 9.583
ZMS[m1]8.768 + j7.432
ZML[m1]190.668 + j64.090
Source=0(50 ohm)
Load=Conj(ΓS)
Source=ΓLLoad= 0(50 ohm)
Zs:Complex ConjugateOf Source Impedance
Choose Matching Circuits
CC1C=6.90 pF
LL1L=4.21 nH
Low Pass
LL2L=14.34 nH
CC2C=1.10 pF
Low Pass
CC1C=13.73 pF
LL1
R=L=3.67 nH
High Pass
CC2C=1.77 pF
LL2
R=L=15.81 nH
High Pass
Example A:Design for Max Gain(二)
m1freq=dB(S(2,1))=19.100
1.000GHzm2freq=nf(2)=3.042
1.000GHz
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80.0 2.0
-5
0
5
10
15
20
-10
25
-60
-50
-40
-30
-20
-10
-70
0
freq, GHz
dB(S
(2,1
))
m1
dB(S
(1,1))dB
(S(2,2))
dB(S
(1,2))nf
(2)
m2
Compare Gain performancewith four type Matching Circuits
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80.0 2.0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
-50
30
freq, GHz
dB(D
esig
nA_H
Hpa
ss..S
(2,1
))dB
(Des
ignA
_HLp
ass.
.S(2
,1))
dB(D
esig
nA_L
Hpa
ss..S
(2,1
))dB
(Des
ignA
_LLp
ass.
.S(2
,1))
Compare NF performancewith four type Matching Circuits
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80.0 2.0
5
10
15
20
25
0
30
freq, GHz
dB(D
esig
nA_H
Hpa
ss..n
f(2)
)dB
(Des
ignA
_HLp
ass.
.nf(
2))
dB(D
esig
nA_L
Hpa
ss..n
f(2)
)dB
(Des
ignA
_LLp
ass.
.nf(
2))
Example B:Design for Min. NF
GammaS0.070 / 59.570
GammaL0.362 / -9.541
GammaIN
GammaMS
GammaL
GammaOutSopt
GammaML
Example B:Result
Min. NFPerfect output matchPoor input match,Acceptable Gaingood isolation
m1freq=dB(S(2,1))=16.649
1.000GHzm2freq=nf(2)=1.414
1.000GHz
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80.0 2.0
-5
0
5
10
15
-10
20
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
-80
0
freq, GHz
dB(S
(2,1
))m1
dB(S
(1,1))dB
(S(2,2))
dB(S
(1,2))
nf(2
)
m2
Example C: Design for Specific Gain, NF and In/Out Return Loss
Choose ΓS andΓL to meet specification:Gain,NF, Γa andΓb
GammaS
GammaIN
Sopt
GammaL
Constant |S22|
Ga=18.5 NF=1.8
GammaA0.236
GammaB0.168
IRL-12.538
ORL-15.500
GammaS0.413 / 159.909
GammaL0.368 / -9.078
Zs22.537 / 18.862
ZL106.755 / -7.652
Example C: Design for Specific Gain, NF and In/Out Return Loss (二)
m1freq=dB(S(2,1))=18.510
1.000GHzm2freq=nf(2)=1.812
1.000GHz
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80.0 2.0
-5
0
5
10
15
-10
20
-50
-40
-30
-20
-10
-60
0
freq, GHz
dB(S
(2,1
))
m1
dB(S
(1,1))dB
(S(2,2))
dB(S
(1,2))
nf(2
)
m2
Unique inductive feedback LNA design
• Background: series inductive feedback• Increased input resistance• small shifts to Γopt.• Increased in-band k-factor(increased in-
band stability)• Decreased gain
L
Example D
GammaS0.260 / 156.123
GammaL0.460 / -18.223
IRL-20.061
ORL-20.000
NF=1.6Ga=15.78
GammaS
GammaL
Choose for vary good In/Out Return Loss Small degraded NF and Gain
Example D:Result
m1freq=nf(2)=1.585
1.010GHzm2freq=dB(S(2,1))=15.739
1.000GHz
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80.0 2.0
-30
-20
-10
0
10
-40
20
-50
-40
-30
-20
-10
-60
0
freq, GHz
dB
(S(2
,1))
m2
dB
(S(1
,1))
dB
(S(2
,2))
dB
(S(1
,2))
nf(
2)
m1
Compare Four Design Example
Design NF| dB Gain|dB |S11|dB |S22|dB
A 3.1 19.1|max. <-40 <-40
B 1.41|min. 16.6 -4.4 <-40
C 1.8 18.5 -12.2 -15.0
D 1.59 15.74 -20 -20
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A D S 视 频 培 训 课 程 推 荐
ADS–Advanced Design System 是由原美国安捷伦科技(现更名为是德科技)推出的微波射频电路、
通信系统和 MMIC/RFIC 仿真设计软件,其功能强大、应用广泛,被国内高校、科研院所和大型科技
公司使用广为使用。掌握 ADS 无疑能提升相关设计领域工程师的技术实力、提高工作效率。
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