兩種低噪聲放大器設(shè)計(jì)方法

低噪聲放大器（ LN A）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ATF54143 為例，說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50Ω。

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(jì)電路。如果是第一次導(dǎo)入， 則可以利用模塊SParams 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，Topt 為0. 329 ∠125. 99°， Zopt = （ 30. 007 +j17. 754） Ω 。其中， Topt 是最佳信源反射系數(shù)。

圖1 利用模塊SParams 進(jìn)行仿真的電路原理圖

圖2 輸入/ 輸出mu 與頻率的關(guān)系

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)Ts 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(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， Fmin 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， Fmin大約為0. 7（見圖3） 。這個(gè)就是本文中提到的第2 種方案。

圖3 同一個(gè)Ts 平面上的可用增益圓族與噪聲系數(shù)圓族。

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)， Ts有個(gè)最佳Topt 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Topt= 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 / MicorST rip Co nt ro lWindow 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_SSMatch1 的智能模塊，然后修改其中的設(shè)置： F = 2. 1 GH z, Zin= 50Ω。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 ，H u =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。

圖4 輸入端口的匹配電路

將輸入匹配電路添加到圖1 后再進(jìn)行S 參數(shù)的仿真。可以看到， 最佳噪聲系數(shù)Topt 的位置由于輸入匹配電路的加入而成功匹配到50Ω的位置。

2. 2 輸出端匹配電路設(shè)計(jì)

根據(jù)最大功率增益原則進(jìn)行輸出端匹配電路的設(shè)計(jì)（ 考慮到輸出穩(wěn)定電路的存在，對(duì)輸出阻抗的影響，在進(jìn)行輸出阻抗測量時(shí)要把穩(wěn)定電路計(jì)算在內(nèi)） , 即將輸出阻抗（ Zout= 8. 055- j8. 980, 如圖5 所示）使用上述的方法匹配到50 Ω 。得到的輸出端匹配電路如圖6所示。

圖5 輸出阻抗匹配

圖6 輸出端匹配電路

2. 3 仿真結(jié)果

觀察最后的仿真結(jié)果可以看到， 增益為14. 4 dB;噪聲系數(shù)為0. 586, 這與穩(wěn)定后的晶體管最佳噪聲系數(shù)0. 573非常接近，且增益平坦度低， 穩(wěn)定性能優(yōu)異。具體性能指標(biāo)如圖7 所示。

圖7 原理圖仿真數(shù)據(jù)

3 以噪聲系數(shù)為主兼顧增益為設(shè)計(jì)目標(biāo)方案的仿真

3. 1 輸入匹配電路設(shè)計(jì)

如果選擇基板材料為環(huán)氧玻璃FR4 基板， 介電常數(shù)為4. 3, 厚度為0. 8 mm, 則2. 1 GHz 時(shí)的晶體管輸入阻抗為16. 827- j16. 041。采用上述匹配電路生成方法， 輸入匹配電路采用A DS 設(shè)計(jì)向?qū)е械膯沃Ч?jié)模塊來設(shè)計(jì)?？梢院芸斓玫綀D8 中的匹配電路。如圖9 所示， 圖中m6 = 50（ 0. 927+ j0. 001） 。與50Ω的非常接近，所以得出的輸入端匹配情況比較合理。

圖8 輸入匹配電路

圖9 加入輸入匹配電路后的S 11 的smit h 原圖

3. 2 輸出匹配電路設(shè)計(jì)

在完成輸入匹配電路設(shè)計(jì)之后， 可以對(duì)輸出匹配電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此充分發(fā)揮CAD 軟件的優(yōu)勢， 借助優(yōu)化的方法來實(shí)現(xiàn)。基本過程如下：

將輸入匹配電路的結(jié)果添加到圖10 中，并在晶體管輸出端添加如圖所示的微帶。調(diào)出優(yōu)化控件， 并將優(yōu)化的目標(biāo)設(shè)置為dB （ S ） 11））為- 20, dB （S （ 22）） 為- 15。

在優(yōu)化開始時(shí)， 先將T L1, T L2, TL3 寬度設(shè)置為61. 394 mil, 這是為了保障在考慮到板材、板材厚度等因素下微帶線的特性阻抗為50 Ω。預(yù)設(shè)T L1, T L2,TL3 的長度， 優(yōu)化一次后，刷新結(jié)果， 觀察各種圖表的指標(biāo)是否更好， 數(shù)值是否達(dá)到設(shè)置的最大值， 如果達(dá)到最大值， 再次改變?cè)O(shè)置值重新優(yōu)化。反復(fù)多次后，將會(huì)達(dá)到再次改變這幾個(gè)數(shù)值， 若改變后對(duì)于各種指標(biāo)作用不大，可以嘗試改變電阻和輸入匹配的數(shù)值再進(jìn)行優(yōu)化。

通過多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)， R1 設(shè)為15Ω， 以及加上TL7后，增益和噪聲系數(shù)以及輸入輸出駐波比效果更好。仿真電路原理圖及優(yōu)化控件和目標(biāo)控件如圖10 所示。

圖10 仿真電路原理圖及優(yōu)化控件和目標(biāo)控件

3. 3 仿真結(jié)果

觀察最后的仿真結(jié)果可以看到， 增益為15. 816 dB；噪聲系數(shù)為0. 708， 該指標(biāo)均比定性分析時(shí)的都要好，其他性能指標(biāo)如圖11 所示。

圖11 原理圖仿真數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

通過對(duì)晶體管進(jìn)行定性分析， 可以根據(jù)實(shí)際需要選擇低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)方案，第一種方案的最佳噪聲系數(shù)是以犧牲增益而得到的；第二種方案是以提高噪聲系數(shù)為代價(jià)，降低駐波比VSWR 的值得到的。2 種方法利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具均可以快速實(shí)現(xiàn)，各有各自的存在價(jià)值， 這在很多場合都得到了應(yīng)用。