射頻低噪聲放大器的ADS設計

摘 要：本文首先簡要介紹了低噪聲放大器設計的理論基礎，并以2.1－2.4Ghz 低噪聲放大器為例，詳細闡述了如何利用Agilent 公司的ADS 軟件進行分析和優(yōu)化設計該電路的過程，仿真結果完全滿足設計指標，最后對微波電路的容差特性進行了模擬分析，對于S 波段低噪聲放大器的設計研究有著重要的參考價值。yVC安規(guī)與電磁兼容網

1. 前言yVC安規(guī)與電磁兼容網

低噪聲微波放大器（LNA）已廣泛應用于微波通信、GPS 接收機、遙感遙控、雷達、電子對抗、射電天文、大地測繪、電視及各種高精度的微波測量系統(tǒng)中，是必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于射頻接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來自天線的低電壓信號進行小信號放大。前級放大器的噪聲系數(shù)對整個微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的增益將決定對后級電路的噪聲抑制程度，它的線性度將對整個系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產生重要影響。對低噪聲放大器的基本要求是：噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定性好、足夠的帶寬和大的動態(tài)范圍。yVC安規(guī)與電磁兼容網
Advanced Design System(ADS)軟件是Agilent 公司在HPEESOF 系列EDA 軟件基礎上發(fā)展完善的大型綜合設計軟件，它功能強大，能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設計，廣泛應用于通信、航天等領域，是射頻工程師的得力助手。本文著重介紹如何使用ADS 進行低噪聲放大器的仿真與優(yōu)化設計。yVC安規(guī)與電磁兼容網

2. 低噪聲放大器特點及指標yVC安規(guī)與電磁兼容網

LNA 是射頻接收機前端的主要部分，它主要有四個特點。首先，它位于接收機的最前端，這就要求它的噪聲系數(shù)越小越好。為了抑制后面各級噪聲對系統(tǒng)的影響，還要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產生非線性失真，它的增益又不宜過大。放大器在工作頻段內應該是穩(wěn)定的。其次，它所接受的信號是很微弱的，所以低噪聲放大器必定是一個小信號放大器。而且由于受傳輸路徑的影響，信號的強弱又是變化的，在接受信號的同時又可能伴隨許多強干擾信號輸入，因此要求放大器有足夠的線型范圍，而且增益最好是可調節(jié)的。第三，低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線或者天線濾波器相連，放大器的輸入端必須和他們很好的匹配，以達到功率最大傳輸或者最小的噪聲系數(shù)，并保證濾波器的性能。第四，應具有一定的選頻功能，抑制帶外和鏡像頻率干擾，因此它一般是頻帶放大器【1】。yVC安規(guī)與電磁兼容網
2.1 工作頻率與帶寬yVC安規(guī)與電磁兼容網
放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率fT 有關，由晶體管小信號模型可知，減小偏置電流的結果是晶體管的特征頻率降低。在集成電路中，增大晶體管的面積使極間電容增加也降低了特性頻率。yVC安規(guī)與電磁兼容網
LNA 的帶寬不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內噪聲要滿足要求，并給出各頻點的噪聲系數(shù)。yVC安規(guī)與電磁兼容網
動態(tài)范圍的上限是受非線性指標限制，有時候要求更加嚴格些，則定義為放大器非線性特性達到指定三階交調系數(shù)時的輸入功率值。yVC安規(guī)與電磁兼容網
2.2 噪聲系數(shù)yVC安規(guī)與電磁兼容網
在電路某一特定點上的信號功率與噪聲功率之比，稱為信號噪聲比，簡稱信噪比，用符號Ps/Pn(或S/N)表示。放大器噪聲系數(shù)是指放大器輸入端信號噪聲功率比Psi/Pni 與輸出端信號噪聲功率比Pso/Pno 得比值。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號通過放大器之后，由于放大器產生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。影響放大器噪聲系數(shù)的因素有很多，除了選用性能優(yōu)良的元器件外，電路的拓撲結構是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數(shù)和信號源的阻抗有yVC安規(guī)與電磁兼容網
關，而與負載阻抗無關。當一個晶體管的源端所接的信號源的阻抗等于它所要求的最佳信號源阻抗時，由該晶體管構成的放大器的噪聲系數(shù)最小。實際應用中放大器的噪聲系數(shù)可以表示為yVC安規(guī)與電磁兼容網

 yVC安規(guī)與電磁兼容網

Fmin 是當源端為最佳源阻抗時放大器的最小噪聲系數(shù)，Rn 是噪聲阻抗，Γopt 是放大器按最小噪聲系數(shù)匹配時的最佳源反射系數(shù)【2】。由此可見放大器的輸入匹配電路應該按照噪聲最佳來進行設計，也就是根據所選晶體管的Γopt 來進行設計。設計輸出匹配電路時采用共軛匹配，以獲得放大器較高的功率增益和較好的輸出駐波比。yVC安規(guī)與電磁兼容網
2.3 增益yVC安規(guī)與電磁兼容網
根據線型網絡輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益： 工作功率增益GP(operating power gain) 、轉換功率增益GT(transducer power gain)、資用功率增益GA（available power gain）。yVC安規(guī)與電磁兼容網
低噪聲放大器的增益要適中，太大會使下級混頻器輸入太大，產生失真。但為了抑制后面各級的噪聲對系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。放大器的增益首先與管子跨導有關，跨導直接由工作點的電流決定。其次放大器的增益還與負載有關。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進行設計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，以此增益G 要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關增益。通常，相關增益比最大增益大約低2-4dB。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來描述工作頻帶內功率增益的起伏, 常用最高增益與最小增益之差，即△G(dB)表示。yVC安規(guī)與電磁兼容網
2.4 放大器的穩(wěn)定性yVC安規(guī)與電磁兼容網

yVC安規(guī)與電磁兼容網
 圖1 晶體管放大器電路原理框圖yVC安規(guī)與電磁兼容網

放大器必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內的穩(wěn)定性。這一點對于射頻電路是非常重要的，因為射頻電路在某些工作頻率和終端條件下有產生振蕩的趨勢�？疾祀妷翰ㄑ貍鬏斁�的傳輸，可以理解這種振蕩現(xiàn)象。若傳輸線終端反射系數(shù)Γ0>1，則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導致不穩(wěn)定的現(xiàn)象。反之，若Γ0>1，將導致反射電壓波的幅度變小（負反饋）。yVC安規(guī)與電磁兼容網
當放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1,即Γin<1, Γout<1 時，不管源阻抗和負載阻抗如何，網絡都是穩(wěn)定的，稱為絕對穩(wěn)定；當輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時，網絡是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器，其負載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作【3】。yVC安規(guī)與電磁兼容網
2.5 輸入阻抗匹配yVC安規(guī)與電磁兼容網
低噪聲放大器與其信號源的匹配是很重要的。放大器與源的匹配有兩種方式：一是以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配，二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配。一般來說，現(xiàn)在絕大多數(shù)的LNA 均采用后一種匹配方法，這樣可以避免不匹配而引起LNA 向天線的能量反射，同時，力求兩種匹配接近。yVC安規(guī)與電磁兼容網
2.6 端口駐波比和反射損耗yVC安規(guī)與電磁兼容網
低噪聲放大器主要指標是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設計的，其結果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會很好。此外，由于微波場效應晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB 規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓低增益，以保持帶內增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。

[1] [2] [3] [4] 下一頁