射頻低噪聲放大器的ADS設(shè)計(jì)

3. 低噪聲放大器設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
本文低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
頻率：2.1GHz~2.4GHz 噪聲系數(shù)：小于0.5dB (純電路噪聲系數(shù)不考慮連接損耗)yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
增益：大于15dB 增益平坦度：每10MHZ 帶內(nèi)小于0.1 dByVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
輸入輸出駐波比：小于2.0 輸入輸出阻抗：50ΩyVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
3.2 仿真設(shè)計(jì)yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
在較高的頻段設(shè)計(jì)低噪聲放大器，通常選用場(chǎng)效應(yīng)管FET 和高電子遷移率晶體管（HEMT）。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?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數(shù)和信號(hào)源的阻抗有關(guān)，放大器存在著最佳的信號(hào)源阻抗Zso，如果所示，此時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)應(yīng)該是最小的，所以放大器的輸入匹配電路應(yīng)該按照噪聲最佳來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是根據(jù)所選晶體管的Гopt 來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了得到較高的功率增益和較好的輸出駐波比，輸出匹配電路則采用共扼匹配。輸入匹配電路在達(dá)到最佳噪聲時(shí)，放大器的輸入阻抗未必恰好與信號(hào)源阻抗匹配，因而功率放大倍數(shù)不是最大。設(shè)計(jì)放大器時(shí)，首先考慮的是噪聲盡可能低，其次才考慮增益的問(wèn)題。因此，犧牲一點(diǎn)增益來(lái)?yè)Q取噪聲系數(shù)的降低是必要的，兩者之間應(yīng)該取一個(gè)合適的折中。LNA 采用兩級(jí)放大的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，為使放大器具有更低的噪聲，第一級(jí)的工作點(diǎn)應(yīng)根據(jù)最小噪聲系數(shù)來(lái)選取最佳的工作電流。為保證有足夠的增益，第二級(jí)應(yīng)從最佳增益條件來(lái)考慮，同時(shí)兼顧噪聲。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
具體的設(shè)計(jì)流程：yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
1．首先選擇合適的器件。選擇適用于工作頻率且具有可接受的增益和噪聲系數(shù)的BJT、JEFT 和MESFET。工作頻率在6GHz 以下時(shí)，大多使用雙極晶體管；工作頻率在6GHz 以上時(shí)，大多選用場(chǎng)效應(yīng)晶體管。而且，通常要求晶體管的截至頻率大于或等于2-3 倍的工作頻率。低噪聲放大器則要求截至頻率更高一些。本文選取NEC 公司低噪聲產(chǎn)品系列的yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
NE3210S01 N 溝道HJ－FET，其性能如圖2 所示，它在2－4GHz 的頻寬內(nèi)增益在18dB 以上，噪聲系數(shù)在0.5dB 以下，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。上網(wǎng)下載并安裝NEC 公司提供的ADS Design Kit for NEC Electronics，該工具包集成了NEC 系列低噪聲放大器的FET、JBJT、HJ-FET，安裝在ADS 中后可以從元件庫(kù)面板中選擇所需的管子。由于Design Kit 中的元器件是已經(jīng)封裝好的晶體管，所以無(wú)需再在ADS 中建立其Spice 模型，直接從手冊(cè)中查到所選取管子在特定偏置下的各個(gè)工作點(diǎn)的S 參數(shù)，從中選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)，使得以此為依據(jù)在電路原理圖中設(shè)計(jì)偏置電路。合適且穩(wěn)定的工作點(diǎn)決定了管子的動(dòng)態(tài)范圍，是保證放大器不出現(xiàn)平頂失真的前提，而且直接影響放大器的高頻穩(wěn)定性，本文選擇典型的靜態(tài)工作點(diǎn)VDS＝2.0V，ID＝10mA【4】。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖2 NE3210S01 的S 參數(shù)以及增益、噪聲特性yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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2.晶體管S 參數(shù)的測(cè)量并確定工作點(diǎn)。利用ADS 的S 參數(shù)仿真在所需要的頻帶內(nèi)求出低噪管的S 參數(shù)，并與手冊(cè)所提供的S 參數(shù)對(duì)比，通過(guò)調(diào)整柵源電壓VGD 不斷修正S 參數(shù)最終得到合適的偏置電路。由于外界因素中溫度對(duì)回路的Q 值影響最大，故偏置電路在S參數(shù)仿真時(shí)應(yīng)注意按照提示窗口所給出的信息修改模型的溫度，本文管子的仿真環(huán)境溫度為16.85℃。加好偏置電路之后測(cè)試結(jié)果如圖3 所示VGD＝-0.526v, ID=9.87mA,VD=2.0V。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖3 低噪管的I－V 特性yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

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圖4 穩(wěn)定判據(jù)μ 參數(shù)的頻率響應(yīng)曲線yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)

3．低噪管穩(wěn)定性的判斷。穩(wěn)定性的判斷可以通過(guò)K-Δ 公式或源端和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)圓來(lái)判斷，前者通常用來(lái)判斷放大器是否處于絕對(duì)穩(wěn)定的情況。對(duì)于低噪聲放大器的第一級(jí)，主要性能是以降低噪聲系數(shù)為目標(biāo)的，故常處于條件穩(wěn)定的情形，而設(shè)計(jì)最大增益放大器時(shí)采用雙端共軛匹配，這時(shí)候射頻電路必須處于絕對(duì)穩(wěn)定才能保證復(fù)數(shù)共軛同時(shí)成立。yVC安規(guī)與電磁兼容網(wǎng)
在S 參數(shù)仿真中添加源穩(wěn)定判別圓和負(fù)載穩(wěn)定判別圓，等增益圓和噪聲系數(shù)圓等控件，并分別設(shè)置好參數(shù)大小，本文選取增益分別為8dB、15dB、20dB，噪聲系數(shù)NF=0.5dB，在仿真后的smith 圓圖顯示出系列圓圖，如圖5 所示。找到穩(wěn)定區(qū)域，由于S11 的絕對(duì)值小于1，故smith 圓圖內(nèi)處于源穩(wěn)定判別圓外的ΓS 都是穩(wěn)定的。但是由輸出穩(wěn)定判別圓可以看出該低噪管在工作頻率下輸出并非絕對(duì)穩(wěn)定，為了避免自激的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)全頻帶的穩(wěn)定性，可以通過(guò)負(fù)反饋手段使晶體管進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。常用的手段是在場(chǎng)管源極串接一電感或者傳輸線，這樣可以改變放大器的輸入阻抗，從而通過(guò)調(diào)整源極影響S11*使之靠近Гopt, 有利于噪聲匹配和輸入端功率匹配的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)際上源極反饋對(duì)放大器噪聲的影響很小。本文在低噪管源端串聯(lián)一個(gè)1.0nH 的電感，使晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，由μ 判據(jù)可以看出在3－6Ghz 頻段內(nèi)放大器都處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4 所示。另外在輸出串聯(lián)一個(gè)15Ohm 電阻，用來(lái)改善放大器的增益平坦度和輸出駐波比。

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