低噪聲放大器的設計及利用ADS軟件進行仿真研究

1 引 言

低噪聲放大器(LNA)位于射頻接收機的前端，其主要功能是對微弱信號進行低噪聲放大。在低噪聲放大器的設計過程中，要綜合考慮其放大能力、噪聲系數和匹配等因素，這需要大量的理論計算和smith圓圖分析，給設計工作帶來困難。

Advanced Design System(ADS)軟件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA軟件基礎上發(fā)展完善的綜合設計軟件，內含很多進行小信號放大器設計的控件，能實現大量的計算和smith圓圖分析。以下將介紹如何利用ADS設計和仿真低噪聲放大器。

2 低噪聲放大器的設計理論

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

圖1 晶體管放大器電路原理框圖

低噪聲放大器主要指標是噪聲系數Ts ，其與源反射系數的關系如下：

其中 NFmin和Rn分別是晶體管的最小噪聲系數和等噪聲電阻，Topt是最佳源反射系數。當Ts=Topt時，可以獲得最低噪聲系數 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計的，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 低噪聲放大器設計仿真和優(yōu)化

3．1 設計目標

低噪聲放大器設計的關鍵是電路的第一級。對于低噪聲放大器的第二級及后續(xù)電路，可以使用MMIC微波單片放大器來完成，其設計相對來說比較簡單。

利用ATF一33143完成電路第一級的設計目標是：頻率：1260MHz一1280MHz；增益：≥10dB；噪聲系數：≤0．5dB；輸入駐波比：≤1．5；輸出駐波比：≤1．5。

3．2 仿真設計

(1)建立模型

上網下載ATF一33143的器件手冊，其器件手冊中提供了標準模型 J。

(2)確定工作點及偏置電路

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

(3)穩(wěn)定性判斷

在ADS軟件中，根據Mu控件和Mu—Prime控件來判斷電路的穩(wěn)定性。電路絕對穩(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)阻抗負反饋

在場效應管的源極和地之間串接一個阻抗元件，從而構成負反饋電路。反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當于電感性元件的負反饋。

b．穩(wěn)定衰減器

P型阻性衰減器是一種簡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成負反饋；在漏極添加LRC串聯(lián)電路。圖2為添加反饋電路后的穩(wěn)定性仿真結果。電路在0．7GHz～3GHz頻率處于絕對穩(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)定性仿真結果

(4)設計輸入、輸出匹配電路

首先通過等噪聲系數圓和等增益圓來設置合理的源反射系數r ，然后根據源反射系數r 和放大器的s參數，按照最大增益匹配來確定負載反射系數Tl根據增益大于10dB和噪聲系數小于0．5dB的設計目標，如圖3所示，設置等噪聲系數圓控件和等增益圓控件。

圖3 等噪聲系數圓控件和等增益圓控件

圖4是等增益圓和等噪聲系數圓以Smith圓圖形式表示的仿真結果。源反射系數點的選取是在噪聲系數、增益這兩個指標間的折衷，選擇m1點為源反射系數點。m1點源反射系數對應的噪聲系數小于0. 3，增益為11dB。

確定源反射系數后，根據公式：

計算出負載反射系數Tl，然后利用Smith原圖設計輸入、輸出匹配電路。

圖4 噪聲系數圓、等增益圓和輸入匹配點的確定

(5)優(yōu)化

在上述中，分別設計了直流偏置電路和輸入、輸出匹配網絡，但是輸入、輸出匹配網絡的加入會改變場效應管的S參數，從而惡化某些指標。為了滿足所有的設計目標，有必要進行全局的電路優(yōu)化。首先選取優(yōu)化變量，設置變量的變化范圍，然后根據設計目標設置仿真目標，優(yōu)化仿真變量，得到達到預設目標的最佳電路設計參數。優(yōu)化后的仿真結果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的仿真結果

4 結束語

由仿真結果可知，所設計的低噪聲放大器在頻帶1260Mhz～1280MHz工作時，增益約為l1dB，輸入、輸出駐波均小于1．5，噪聲系數約為0．2dB，在1 GHz一3Ghz頻率范圍內絕對穩(wěn)定，所有指標均滿足設計要求。該設計對于低噪聲放大器的設計研究有著一定的參考價值。