LNA Design - dl.edatop.comdl.edatop.com/mte/ads/edatop.com_5-3LNA Design... · LNA Design Procedure • Read Specification • Choose Device and get a Data Sheet • Prepare S2P data

LNA Design

Single StageAT41411 Study Case

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)

Add and Read Noise Parameters to an SnP File

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

Designs for both low NF and low input VSWR

ΓS

Γopt

ΓML

ΓMS

ΓIN

IF Γopt=ΓMS=>min. NF and min. |S11|

The effect of Inductive feedback ΓMS

0.2 nH0.4 nH0.6 nH

Ls

Stability&IndFeedback.dsn

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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