低噪聲放大器的兩種設(shè)計方法

低噪聲放大器(LNA)是射頻收發(fā)機(jī)的一個重要組成部分，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)計是否良好，關(guān)系到整個通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。本文以晶體管ATF-54143為例，說明兩種不同低噪聲放大器的設(shè)計方法，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，測量晶體管的輸入阻抗與對應(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。通過在輸出端并聯(lián)一個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，并且測得在2．1 GHz時的輸入阻抗為16．827-j16．041。同時發(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Γs平面上。通過分析可知，如果可用增益圓通過最佳噪聲系數(shù)所在點(diǎn)的位置，并根據(jù)該點(diǎn)來進(jìn)行輸入端電路匹配的話，此時對于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。因此它是通過犧牲可用增益來換取的。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)計目標(biāo)方案的仿真
2．1 輸入匹配電路設(shè)計
對于低噪聲放大器，為了獲得最小的噪聲系數(shù)，Γs有個最佳Γopt系數(shù)值，此時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，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°，以及對應(yīng)的Zopt=30．007+j17．754 Ω。下面可以利用ADS的Passive Circuit／Micorstrip ControlWindow這個工具，自動生成輸入端口的匹配電路。
在原理圖中添加一個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，Zload是Zopt的共軛。設(shè)置完畢后，再添加一個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)行自動匹配電路的生成，結(jié)果電路如圖4所示。