低噪声放大器的设计及利用ADS软件进行仿真研究

1 引 言

低噪声放大器(LNA)位于射频接收机的前端，其主要功能是对微弱信号进行低噪声放大。在低噪声放大器的设计过程中，要综合考虑其放大能力、噪声系数和匹配等因素，这需要大量的理论计算和smith圆图分析，给设计工作带来困难。

Advanced Design System(ADS)软件是Agilent公司在HPEESOF系列EDA软件基础上发展完善的综合设计软件，内含很多进行小信号放大器设计的控件，能实现大量的计算和smith圆图分析。以下将介绍如何利用ADS设计和仿真低噪声放大器。

2 低噪声放大器的设计理论

图1是放大器电路原理框图，其中r 表示源反射系数，r 表示负载反射系数。不同的r 和r。． 将影响放大器的稳定性、噪声系数、增益、驻波等参数。设计放大器的过程就是根据放大器的s参数，以及噪声系数、增益、驻波等的要求来确定TS和TL，然后根据TS和TL确定输入、输出匹配网络。

图1 晶体管放大器电路原理框图

低噪声放大器主要指标是噪声系数Ts ，其与源反射系数的关系如下：

其中 NFmin和Rn分别是晶体管的最小噪声系数和等噪声电阻，Topt是最佳源反射系数。当Ts=Topt时，可以获得最低噪声系数 NFmin。

一般的低噪声放大器的输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，为了获得较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出端采用输出共扼匹配。

3 低噪声放大器设计仿真和优化

3．1 设计目标

低噪声放大器设计的关键是电路的第一级。对于低噪声放大器的第二级及后续电路，可以使用MMIC微波单片放大器来完成，其设计相对来说比较简单。

利用ATF一33143完成电路第一级的设计目标是：频率：1260MHz一1280MHz；增益：≥10dB；噪声系数：≤0．5dB；输入驻波比：≤1．5；输出驻波比：≤1．5。

3．2 仿真设计

(1)建立模型

上网下载ATF一33143的器件手册，其器件手册中提供了标准模型 J。

(2)确定工作点及偏置电路

根据芯片在各直流工作点条件下的性能选择直流工作点。本文选取的直流工作点为：VDS：4V，IDS=40mA。在该直流工作点状态下的芯片最小噪声系数ⅣF i =0．34dB 。

(3)稳定性判断

在ADS软件中，根据Mu控件和Mu—Prime控件来判断电路的稳定性。电路绝对稳定的充要条件是Mu>1和Mu—Prime>1。

一般的改善稳定性的措施为：

a．串联阻抗负反馈

在场效应管的源极和地之间串接一个阻抗元件，从而构成负反馈电路。反馈元件常用一段微带线来代替，它相当于电感性元件的负反馈。

b．稳定衰减器

P型阻性衰减器是一种简易可行的改善放大器稳定性的措施，通常接在低噪声放大器末级输出口。

采取的改善稳定性措施为：在芯片源极添加电感构成负反馈；在漏极添加LRC串联电路。图2为添加反馈电路后的稳定性仿真结果。电路在0．7GHz～3GHz频率处于绝对稳定状态，而工作频率为1260MHz一1280MHz，故满足稳定性要求。

图2 改善后的稳定性仿真结果

(4)设计输入、输出匹配电路

首先通过等噪声系数圆和等增益圆来设置合理的源反射系数r ，然后根据源反射系数r 和放大器的s参数，按照最大增益匹配来确定负载反射系数Tl根据增益大于10dB和噪声系数小于0．5dB的设计目标，如图3所示，设置等噪声系数圆控件和等增益圆控件。

图3 等噪声系数圆控件和等增益圆控件

图4是等增益圆和等噪声系数圆以Smith圆图形式表示的仿真结果。源反射系数点的选取是在噪声系数、增益这两个指标间的折衷，选择m1点为源反射系数点。m1点源反射系数对应的噪声系数小于0. 3，增益为11dB。

确定源反射系数后，根据公式：

计算出负载反射系数Tl，然后利用Smith原图设计输入、输出匹配电路。

图4 噪声系数圆、等增益圆和输入匹配点的确定

(5)优化

在上述中，分别设计了直流偏置电路和输入、输出匹配网络，但是输入、输出匹配网络的加入会改变场效应管的S参数，从而恶化某些指标。为了满足所有的设计目标，有必要进行全局的电路优化。首先选取优化变量，设置变量的变化范围，然后根据设计目标设置仿真目标，优化仿真变量，得到达到预设目标的最佳电路设计参数。优化后的仿真结果如图5所示。

图5 优化后的仿真结果

4 结束语

由仿真结果可知，所设计的低噪声放大器在频带1260Mhz～1280MHz工作时，增益约为l1dB，输入、输出驻波均小于1．5，噪声系数约为0．2dB，在1 GHz一3Ghz频率范围内绝对稳定，所有指标均满足设计要求。该设计对于低噪声放大器的设计研究有着一定的参考价值。