1 引 言

低噪聲放大器(LNA)位于射頻接收機(jī)的前端，其主要功能是對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大。在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮其放大能力、噪聲系數(shù)和匹配等因素，這需要大量的理論計(jì)算和smith圓圖分析，給設(shè)計(jì)工作帶來困難。

Advanced Design System(ADS)軟件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善的綜合設(shè)計(jì)軟件，內(nèi)含很多進(jìn)行小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的控件，能實(shí)現(xiàn)大量的計(jì)算和smith圓圖分析。以下將介紹如何利用ADS設(shè)計(jì)和仿真低噪聲放大器。

2 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)理論

圖1是放大器電路原理框圖，其中r 表示源反射系數(shù)，r 表示負(fù)載反射系數(shù)。不同的r 和r。． 將影響放大器的穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、增益、駐波等參數(shù)。設(shè)計(jì)放大器的過程就是根據(jù)放大器的s參數(shù)，以及噪聲系數(shù)、增益、駐波等的要求來確定TS和TL，然后根據(jù)TS和TL確定輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖1 晶體管放大器電路原理框圖

低噪聲放大器主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)Ts ，其與源反射系數(shù)的關(guān)系如下：

其中 NFmin和Rn分別是晶體管的最小噪聲系數(shù)和等噪聲電阻，Topt是最佳源反射系數(shù)。當(dāng)Ts=Topt時(shí)，可以獲得最低噪聲系數(shù) NFmin。

一般的低噪聲放大器的輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設(shè)計(jì)的，為了獲得較高的功率增益和較好的輸出駐波比，輸出端采用輸出共扼匹配。

3 低噪聲放大器設(shè)計(jì)仿真和優(yōu)化

3．1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電路的第一級(jí)。對(duì)于低噪聲放大器的第二級(jí)及后續(xù)電路，可以使用MMIC微波單片放大器來完成，其設(shè)計(jì)相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單。

利用ATF一33143完成電路第一級(jí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：頻率：1260MHz一1280MHz；增益：≥10dB；噪聲系數(shù)：≤0．5dB；輸入駐波比：≤1．5；輸出駐波比：≤1．5。

3．2 仿真設(shè)計(jì)

(1)建立模型

上網(wǎng)下載ATF一33143的器件手冊(cè)，其器件手冊(cè)中提供了標(biāo)準(zhǔn)模型 J。

(2)確定工作點(diǎn)及偏置電路

根據(jù)芯片在各直流工作點(diǎn)條件下的性能選擇直流工作點(diǎn)。本文選取的直流工作點(diǎn)為：VDS：4V，IDS=40mA。在該直流工作點(diǎn)狀態(tài)下的芯片最小噪聲系數(shù)ⅣF i =0．34dB 。

(3)穩(wěn)定性判斷

在ADS軟件中，根據(jù)Mu控件和Mu—Prime控件來判斷電路的穩(wěn)定性。電路絕對(duì)穩(wěn)定的充要條件是Mu>1和Mu—Prime>1。

一般的改善穩(wěn)定性的措施為：

a．串聯(lián)阻抗負(fù)反饋

在場(chǎng)效應(yīng)管的源極和地之間串接一個(gè)阻抗元件，從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋。

b．穩(wěn)定衰減器

P型阻性衰減器是一種簡(jiǎn)易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施，通常接在低噪聲放大器末級(jí)輸出口。

采取的改善穩(wěn)定性措施為：在芯片源極添加電感構(gòu)成負(fù)反饋；在漏極添加LRC串聯(lián)電路。圖2為添加反饋電路后的穩(wěn)定性仿真結(jié)果。電路在0．7GHz～3GHz頻率處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，而工作頻率為1260MHz一1280MHz，故滿足穩(wěn)定性要求。

圖2 改善后的穩(wěn)定性仿真結(jié)果

(4)設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配電路

首先通過等噪聲系數(shù)圓和等增益圓來設(shè)置合理的源反射系數(shù)r ，然后根據(jù)源反射系數(shù)r 和放大器的s參數(shù)，按照最大增益匹配來確定負(fù)載反射系數(shù)Tl根據(jù)增益大于10dB和噪聲系數(shù)小于0．5dB的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖3所示，設(shè)置等噪聲系數(shù)圓控件和等增益圓控件。

圖3 等噪聲系數(shù)圓控件和等增益圓控件

圖4是等增益圓和等噪聲系數(shù)圓以Smith圓圖形式表示的仿真結(jié)果。源反射系數(shù)點(diǎn)的選取是在噪聲系數(shù)、增益這兩個(gè)指標(biāo)間的折衷，選擇m1點(diǎn)為源反射系數(shù)點(diǎn)。m1點(diǎn)源反射系數(shù)對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)小于0. 3，增益為11dB。

確定源反射系數(shù)后，根據(jù)公式：

計(jì)算出負(fù)載反射系數(shù)Tl，然后利用Smith原圖設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配電路。

圖4 噪聲系數(shù)圓、等增益圓和輸入匹配點(diǎn)的確定

(5)優(yōu)化

在上述中，分別設(shè)計(jì)了直流偏置電路和輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，但是輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的加入會(huì)改變場(chǎng)效應(yīng)管的S參數(shù)，從而惡化某些指標(biāo)。為了滿足所有的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有必要進(jìn)行全局的電路優(yōu)化。首先選取優(yōu)化變量，設(shè)置變量的變化范圍，然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)置仿真目標(biāo)，優(yōu)化仿真變量，得到達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)的最佳電路設(shè)計(jì)參數(shù)。優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

由仿真結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器在頻帶1260Mhz～1280MHz工作時(shí)，增益約為l1dB，輸入、輸出駐波均小于1．5，噪聲系數(shù)約為0．2dB，在1 GHz一3Ghz頻率范圍內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定，所有指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)對(duì)于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)研究有著一定的參考價(jià)值。