低噪聲放大器的仿真設(shè)計(jì)

1引言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對各種無線通信工具的要求也越來越高，這就要求對系統(tǒng)的接收靈敏度提出更高的要求，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是低噪聲放大器（LNA）。低噪聲放大器在任何微波接收系統(tǒng)中都處于前端位置，這是因?yàn)槲⒉ㄏ到y(tǒng)的噪聲系數(shù)基本上取決于前級放大器的噪聲系數(shù)，所以LNA是接收機(jī)系統(tǒng)中相當(dāng)重要的一個(gè)部件。LNA的主要作用是放大天線從空中接收的微弱信號，降低噪聲干擾，為使接收信號能被后級電路有效的接收和處理，LNA應(yīng)具有一定的增益，但是過高的增益會導(dǎo)致信號非線性失真和噪聲的提高，因此增益不能太高。一般來說，LNA的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。本文研究設(shè)計(jì)的LNA的主要技術(shù)指標(biāo)為：回波損耗小于-15dB，放大器的增益約為13dB，輸入輸出VSWR不大于1.5，并且噪聲系數(shù)小于1.6，放大器工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

2輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)

2.1輸入匹配電路的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)LNA的匹配電路的時(shí)候，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計(jì)，為接近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和低VSWR而設(shè)計(jì)。所以在設(shè)計(jì)LNA的時(shí)候，可以通過等噪聲圓和等增益圓來綜合設(shè)計(jì)，而本文主要是利用AgilentADS軟件設(shè)計(jì)LNA，這樣大大的簡化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

這里采用ADS中的DA_SSMatch匹配來設(shè)計(jì)輸入匹配電路，由于這種匹配方法要用到放大器的輸入阻抗，因此有必要先通過仿真得出三極管的輸入阻抗，然后再設(shè)計(jì)輸入匹配電路。

由仿真得輸入阻抗為18.892+j×6.813，然后以此來設(shè)計(jì)輸入匹配電路并仿真，圖1的仿真結(jié)果可以看到，匹配良好且VSWR為-32dB，符合輸入匹配的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.2輸出匹配電路的設(shè)計(jì)

輸出匹配電路采用串并聯(lián)電感電容的方法來設(shè)計(jì)，這里采用ADS軟件的調(diào)諧功能來設(shè)計(jì)輸出匹配電路。圖2為經(jīng)過多次調(diào)諧所得到的較好的輸出匹配電路。

由圖2的仿真結(jié)果可以看出，輸出電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很好的匹配且符合指標(biāo)的要求。但是由于輸出匹配電路的引入，必然會對輸入匹配電路產(chǎn)生影響并使其失配，由于直流偏置的引入也必然會對輸入輸出匹配電路造成影響，所以這里先不考慮輸出匹配電路對輸入匹配電路產(chǎn)生的影響，而是先設(shè)計(jì)好直流偏置網(wǎng)絡(luò)，然后綜合各部分來優(yōu)化電路。

圖1輸入匹配電路和仿真

3直流偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

所有射頻/微波電路不可缺少的電路單元就是無源或有源偏置網(wǎng)絡(luò)。偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供靜態(tài)工作點(diǎn)，并抑制晶體管參數(shù)的離散特性以及溫度變化的影響，從而保持恒定的工作特性。放大器的偏置條件根據(jù)實(shí)際的工作背景而定。

工作狀態(tài)的劃分是根據(jù)導(dǎo)通角來定的。甲類工作狀態(tài)下整個(gè)信號周期內(nèi)都有集電極電流存在，導(dǎo)通角，如果晶體管線性區(qū)內(nèi)的傳遞特性近似于線性函數(shù)，則輸出信號時(shí)沒有失真的、放大了輸入信號，但效率最低，最大理論值為50%。乙類工作狀態(tài)下只有半個(gè)周期內(nèi)有集電極電流，導(dǎo)通角為；甲乙類的導(dǎo)通角為。這兩種工作狀態(tài)一般用于功放而不是低噪放中。丙類導(dǎo)通角，輸出信號失真最大，但效率卻是最高的。通過直流偏置仿真得到，直流偏置點(diǎn)=2.7V和=5mA可以得=38kohm，=469ohm。

圖2輸出匹配電路和仿真

4LNA的實(shí)現(xiàn)和仿真

將前面設(shè)計(jì)的輸入輸出匹配電路和直流偏置網(wǎng)絡(luò)綜合考慮，并加入隔離直流和交流的DCBlock和DCFeed器件防止相互影響，這樣就完成了LNA整體電路的大體設(shè)計(jì)。但是由于輸出匹配電路對輸入匹配電路會產(chǎn)生影響，并且直流偏置網(wǎng)絡(luò)也會對輸入輸出匹配電路產(chǎn)生影響，導(dǎo)致電路的輸入輸出會失配并使電路S參數(shù)惡化。因此，在綜合各部分的情況下，有必要對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電路的整體實(shí)現(xiàn)較好的效果，圖3是通過多次匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)出來的符合指標(biāo)要求的LNA電路和仿真結(jié)果。

由圖3可以看出，在2GHz時(shí)輸入端和輸出端的反射系數(shù)均小于-20dB，且放大器的增益約為14dB，反射系數(shù)也很小，這些都符合并且優(yōu)于指標(biāo)要求，并且該LNA的輸入輸出VSWR均小于1.5（這里沒有給出輸出VSWR的圖），噪聲系數(shù)也在1.4到1.6之間，最后再來看LNA的穩(wěn)定性，由圖3的仿真結(jié)果可以看到2GHz時(shí)放大器的穩(wěn)定系數(shù)大于1，即放大器能穩(wěn)定的工作，由此我們可以說該LNA電路的設(shè)計(jì)符合各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

圖3LNA電路實(shí)現(xiàn)與仿真

5結(jié)論

本文討論了一個(gè)2GHz的LNA的設(shè)計(jì)，并利用ADS軟件驗(yàn)證了設(shè)計(jì)流程的正確性。LNA在接收機(jī)中是一個(gè)非常重要的器件，我們在設(shè)計(jì)中要綜合考慮各方面的因素來綜合設(shè)計(jì)。我們相信，只要掌握放大器設(shè)計(jì)的理論知識和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，并利用現(xiàn)代微波電路的設(shè)計(jì)軟件可以大大縮短研制周期。