低噪聲放大器的兩種設(shè)計(jì)方法
低噪聲放大器(LNA)是射頻收發(fā)機(jī)的一個(gè)重要組成部分,它能有效提高接收機(jī)的接收靈敏度,進(jìn)而提高收發(fā)機(jī)的傳輸距離。因此低噪聲放大器的設(shè)計(jì)是否良好,關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。本文以晶體管ATF-54143為例,說(shuō)明兩種不同低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法,其頻率范圍為2~2.2 GHz;晶體管工作電壓為3 V;工作電流為40 mA;輸入輸出阻抗為50 Ω。
1 定性分析
1.1 晶體管的建模
通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以查閱晶體管生產(chǎn)廠商的相關(guān)資料,可以下載廠商提供的該款晶體管模型,也可以根據(jù)實(shí)際需要下載該管的S2P文件。本例采用直接將該管的S2P文件導(dǎo)入到軟件中,利用S參數(shù)為模型設(shè)計(jì)電路。如果是第一次導(dǎo)入,則可以利用模塊S-Params進(jìn)行S參數(shù)仿真,觀察得到的S參數(shù)與S2P文件提供的數(shù)據(jù)是否相同,同時(shí),測(cè)量晶體管的輸入阻抗與對(duì)應(yīng)的最小噪聲系數(shù),以及判斷晶體管的穩(wěn)定性等,為下一步驟做好準(zhǔn)備。
1.2 晶體管的穩(wěn)定性
對(duì)電路完成S參數(shù)仿真后,可以得到輸入/輸出端的mu在頻率2~2.2 GHz之間均小于1,根據(jù)射頻相關(guān)理論,晶體管是不穩(wěn)定的。通過(guò)在輸出端并聯(lián)一個(gè)10 Ω和5 pF的電容,m2和m3的值均大于1,如圖1,圖2所示。晶體管實(shí)現(xiàn)了在帶寬內(nèi)條件穩(wěn)定,并且測(cè)得在2.1 GHz時(shí)的輸入阻抗為16.827-j16.041。同時(shí)發(fā)現(xiàn),由于在輸出端加入了電阻,使得Fmin由0.48增大到0.573,Γopt為0.329∠125.99°,Zopt=(30.007+j17.754)Ω。其中,Γopt是最佳信源反射系數(shù)。
1.3 制定方案
如圖3所示,將可用增益圓族與噪聲系數(shù)圓族畫在同一個(gè)Γs平面上。通過(guò)分析可知,如果可用增益圓通過(guò)最佳噪聲系數(shù)所在點(diǎn)的位置,并根據(jù)該點(diǎn)來(lái)進(jìn)行輸入端電路匹配的話,此時(shí)對(duì)于LNA而言,噪聲系數(shù)是最小的,但是其增益并沒有達(dá)到最佳放大。因此它是通過(guò)犧牲可用增益來(lái)?yè)Q取的。在這種情況下,該晶體管增益可以達(dá)到14 dB左右,F(xiàn)min大約為0.48,如圖3所示。
另一種方案是在可用增益和噪聲系數(shù)之間取得平衡,以盡可能用小噪聲匹配為目標(biāo),采用在兼顧增益前提下的設(shè)計(jì)方案。在這種情況下該晶體管增益大約為15 dB左右,F(xiàn)min大約為0.7(見圖3)。這個(gè)就是本文中提到的第2種方案。
2 以最佳噪聲系數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)方案的仿真
2.1 輸入匹配電路設(shè)計(jì)
對(duì)于低噪聲放大器,為了獲得最小的噪聲系數(shù),Γs有個(gè)最佳Γopt系數(shù)值,此時(shí)LNA達(dá)到最小噪聲系數(shù),即達(dá)到最佳噪聲匹配狀態(tài)。當(dāng)匹配狀態(tài)偏離最佳位置時(shí),LNA的噪聲系數(shù)將增大。前面定性分析中已經(jīng)獲得Γopt=0.329∠125.99°,以及對(duì)應(yīng)的Zopt=30.007+j17.754 Ω。下面可以利用ADS的Passive Circuit/Micorstrip ControlWindow這個(gè)工具,自動(dòng)生成輸入端口的匹配電路。
在原理圖中添加一個(gè)DA_SSMatehl的智能模塊,然后修改其中的設(shè)置:F=2.1 GHz,Zin=50 Ω。值得注意的是,利用該工具生成匹配電路時(shí),Zload是Zopt的共軛。設(shè)置完畢后,再添加一個(gè)MSub的控件,該控件主要用于描述基板的基本信息,修改其中的設(shè)置為H=0.8 mm,Er=4.3,Mur=1,Cond=5.88×107,Hu=1.0e+33 mm,T=0.03 mil。設(shè)置完后,即可進(jìn)行自動(dòng)匹配電路的生成,結(jié)果電路如圖4所示。
評(píng)論