低噪声放大器的设计与灵敏度分析

梁晶晶，沈福贵，逯贵祯

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

低噪声放大器的设计与灵敏度分析

梁晶晶，沈福贵，逯贵祯

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

本文设计的低噪声放大器利用集成芯片ATF36163完成了电路的设计，利用ADS软件进行设计、优化和仿真，最后给出了仿真结果、版图设计及实测结果。同时通过研究电路参数的灵敏度对该低噪声放大器进行了灵敏度分析，使得低噪声放大器不仅符合接收机对LNA的指标要求，还能使性能更加稳定。

低噪声放大器(LNA);噪声系数;增益;灵敏度分析

1 引言

低噪声放大器是射频接收机前段的关键模块，它对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大，同时抑制各种噪声干扰，提高系统灵敏度。由于LNA在接收系统中的特殊位置和作用，该部件的设计对整个接收系统的性能指标起着关键作用［1］。

本文利用AVAGO公司的集成芯片ATF36163来设计低噪声放大器，它具有精确的仿真模型，能够在外部调整电源电流和增益的功能。在RF电路的设计上进一步采用了微带线的优化来设计仿真电路，并且通过对电路中参数的灵敏度分析来提高系统的稳定性，使仿真结果更加准确。理论结果表明，在功耗相同的条件下，它的噪声系数和增益也都优于传统的低噪声放大器。本文采用Agilent公司的Advanced Design System(ADS)软件进行仿真设计。此软件能够提供各种微波射频电路的仿真和优化设计。

2 低噪声放大器的设计理论

低噪声放大器的主要指标有:工作频带，噪声系数，增益，稳定性，驻波比以及增益平坦度。对于任何低噪声放大器，它必须在工作频率内是稳定的，同时它应该具有较小的噪声系数和一定大的增益。

2.1 稳定准则

稳定性是指放大器抑制环境的变化(如信号频率的稳定、源和负载等变化时)、维持正常工作特性的能力［2］。使放大器保持绝对稳定的条件是:

其中△=S11S22-S12S21，K称为稳定因子。当同时满足上面3个条件时，放大器绝对稳定;若放大器不满足绝对稳定条件时，需要采取一些措施来改善放大器的稳定性.主要方法有:源极串联负反馈、漏极与栅极间并联负反馈、漏极串联电阻和漏极并联电阻、插入铁氧体隔离器［3］。

2.2 放大器的噪声系数

放大器的噪声系数可以表示为:

式中，Nfmin是最小噪声系数，由放大器管子本身决定，Rn是等效噪声电阻，Гopt是最佳信源反射系数。当 Гs=Гopt时，放大器可达到最小噪声系数Nfmin，即称此时为最佳噪声匹配状态。

多个放大器级联的噪声系数为:

由此可见，多级级联放大器的噪声系数主要由第1级放大器决定。要获得好的系统噪声性能，必须按最佳噪声匹配设计输入匹配电路。

2.3 放大器的增益和驻波

放大电路由二端口网络方框图表示，如图1所示:

图1 放大器电路二端口网络方框图

信源和负载都是50Ω时，放大器的实际功率增益为:

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3 低噪声放大器的仿真与优化

根据设计指标的要求，选用 AVAGO公司的ATF36163［5］作为核心器件设计 LNA。ATF36163 是一款具有有源偏压电路的经济型、使用简易的砷化镓单片微波集成电路低噪声放大器，它采用0.2μm的GaAs pHEMT工艺，具有精确的晶体管仿真模型和较小的噪声电阻，能够有效降低噪声性能的灵敏度，该器件非常适合1.5GHz～18GHz频率范围运作。

3.1 低噪声放大器的设计指标

本文设计的低噪声放大器主要设计指标如下:频率范围:10.3GHz～10.7GHz;噪声系数:NF＜1.8dB;带内增益:G＞15dB;输入/输出驻波比:＜2。

考虑到增益和噪声系数的要求，在VD=2V，IDS=15mA的偏置条件下，10.5GHz时最小噪声系数约为0.7dB，增益为13dB。为了得到20dB以上的增益，采用两级级联放大结构，将两个晶体管集成在同一基片上，输入输出端口之间通过微带线匹配到50Ω。

3.2 偏置电路设计

偏置电路至关重要，合理的偏置能让放大器工作在最佳状态下。该放大电路采用±5V的双电源供电，根据参数模型提供的偏置条件，串联分压电阻将放大器的静态工作点设置为VD=2V，IDS=15mA。通过四分之一高阻微带线馈电，高阻微带线端接扇形线对高频短路［6］，并接滤波电容对电源进行滤波。

3.3 匹配电路设计

匹配电路设计主要考虑放大器的噪声系数、增益及驻波比等因素。为了在整个频段内具有良好的匹配效果，一般先选定中心频率进行匹配电路设计，然后再对整个频带内的电路进行微调优化。两级放大器的匹配电路包括输入匹配，输出匹配和级间匹配。其中，输入匹配按最小噪声匹配设计，级间匹配电路应使后级放大器输入阻抗与前级放大器输出阻抗相匹配，以获得最大的增益。输出匹配电路则主要用于提高增益，改善增益平坦度以及输出驻波比，所以采用最佳功率匹配。

本设计根据放大器的ADS模型，利用微波仿真软件，运用其Smith圆图工具和强大的优化功能来进行匹配。与传统的单纯利用Smith圆图的匹配方法相比，本方法能有效的缩短设计周期，并且实现的匹配电路更准确，带宽更宽;采用微带分支线结构实现匹配，可使匹配性能提高且结构简单，易于实现;同时，为了改善放大器的增益平坦度，将电路匹配到10GHz而不是中心频率处，使频带低端失配;由于过孔接地带来的寄生效应很难估计，分支线均设计为终端开路分支线。

3.4 模型仿真与优化

根据AVAGO公司提的晶体管仿真模型，建立仿真原理图，如图2:

图2 低噪声放大器仿真原理图

本设计采用介质板FR4作为基板，设定基板的参数(εr=4.4，h=0.8mm)。将分支线的宽度和主传输线的长度设为优化变量，进行优化仿真。优化仿真遵循以下几点:先利用优化工具实现设定的目标，优化过程分步骤有主次地进行;在每次优化时，应该有选择地设置少量的可变参数，分步骤进行优化;优化后再使用调谐工具手动微调各元件参数，可以得知各参数对电路性能的影响情况，对于敏感参数仔细处理或采取措施以避免特别敏感的参数出现。

由于制作加工过程中可能带来的误差，设计仿真的性能指标设置必须高于所要求达到的性能指标。通过反复的优化，最后得到的仿真结果为:在10.3GHz～10.7GHz频带内，噪声系数 ＜1dB，增益=21dB±0.5dB，输入/输出驻波 ＜2。图3(a)为噪声系数-频率曲线，图3(b)为增益-频率曲线。图3(c)为输入输出驻波比曲线。

3.5 实测结果分析

对加工成型的LNA进行散射参数测试，在频带范围10.3GHz～10.7GHz处的增益(S21)约为16.4dB，考虑到连接的测试线上有1～2dB的衰减，LNA前一级的介质滤波器有约1dB的衰减，两级LNA之间连接的3个电容有约3dB的衰减，综合LNA的增益在21dB左右，与仿真结果基本一致。输出波形如图4所示。

图4 网络分析仪输出的增益波形

4 灵敏度分析

4.1 灵敏度的概念

放大器中的元器件，通常由于制造公差、测量误差和模型的近似性，其实际值都是在一定范围内的随机量，故放大器的实际特性一般不可能是设计的预期指标［7］。因此为使得设计的低噪声放大器能够具有稳定的性能，通常需要选择一个低灵敏度电路，以减小元器件参数变化对放大器性能的影响。因此，灵敏度分析对微波集成电路有很重要意义。

灵敏度定义有绝对灵敏度与相对灵敏度两种形式。设f是电路特性函数，它可以是节点电压、支路电流或者一个网络的增益等，x是电路一个参数，如电阻、电容、电感、晶体管的模型参数等等。定义［8］:

公式(8)为参数x对电路特性函数f的绝对灵敏度。

公式(9)为参数x对电路特性函数f的一阶相对灵敏度。

公式(10)为参数x对电路特性函数f的n阶相对灵敏度。其中，x0是参数的标称值，f0是参数在标称值下的电路特性函数值。

本文设计的放大器的匹配电路采用微带线设计，没有引入元件参数，所以主要对LNA的偏置网络参数估计进行灵敏度分析，来确保实际的电路能有稳定的特性。

4.2 电路的灵敏度分析

利用ADS软件的Monte Carlo分析功能［9］对本文设计的LNA一级电路进行灵敏度分析。如图5所示，将电路中的电阻和电容分别设置相同的容差，然后仿真他们对整个网络放大性能的影响，Monte Carlo模拟的次数为500。

图5 灵敏度分析仿真模型图

在各个参数未加容差时的放大特性如图6(a)所示;C1，C2，C3，C4的容差分别为5%时的放大特性相同，如图6(b)所示;漏极直流偏置电阻R1，R2分别为5%容差时的放大特性如图6(c)和6(d)所示;栅极直流偏置电阻R3，R4分别为5%容差时的放大特性，如图6(e)和6(f)所示。

时，对放大特性基本没有影响。漏极直流偏置电阻R1和R2容差分别为5%时，放大特性有了一定的抖动，并且频率低的抖动程度高，选取10.5GHz点观察，其放大特性大部分分布在在10.4～10.65dB之间。栅极偏置电阻R3和R4容差分别为5%时，放大特性也有抖动，但其程度较小，并且比较均匀，其抖动大部分分步在10.48～10.52dB之间。由分析可以看出，作为漏极偏置的电阻R1、R2对于电路灵敏度影响相对较大，因此在元器件选择和布局时，对于高灵敏参数元件，应仔细选择和考虑。

5 结束语

本文采用ATF36163的仿真模型设计出一款工作在中心频率为10.5GHz的低噪声放大器。并详细介绍了设计的具体流程和方法，充分利用ADS仿真软件的各项功能对低噪声放大器进行优化仿真，最终设计出有着低噪声系数，高增益，良好输入输出驻波比的低噪声放大器。同时，通过对放大器元件参数的灵敏度分析，给出了低噪声放大器设计中电容电阻选择的一些建议，对低噪声放大器的设计加工具有一定的指导意义。

［1］Skolnik.雷达手册［M］.北京:电子工业出版社，2003:104-108.

［2］黄玉兰.射频电路理论与设计［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［3］谢涛，周以国，郭俊栋.X波段宽带低噪声放大器设计［J］.中国科学院研究生院学报，2008，25(3).

［4］徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［5］ATF-36163 Data Sheet［Z］.Avago，2008.

［6］WANG Xiao mei，SUN Zheng wen，Chen Yong.Design and analysis of an X-band Low Noise Amplifier［C］.Second International Conference on Multimediaand Information Technology，2010.

［7］刘志明，徐丽，须磊.低噪放的参数灵敏度的研究［J］.电子技术，2008，45(9).

［8］凌燮亭.电路参数的容差分析与设计［M］.上海:复旦大学出版社，1989:1-43.

［9］Pallier C，Vallette F，Vasilecu G，Algani C.How HBT Parameters Influence Conversion Gain in Cell Microwave Mixer［C］.High Performance Electron Devices for Microwave and Optoelectronic Applications，1997:261-266.

The Design and Sensitivity Analysis of a Low Nosie Amplifier

LIANG Jing-jing，SHEN Fu-gui，LU Gui-zhen
(Communication University of China，School of Information Engineering，Beijing 100024，China)

This paper uses the integrated chips ATF36163 to complete the circuit design，and offers the simulation results with the design，optimizing and simulation of Agilent ADS ，the layout and the measured results.Meanwhile，the sensitivity analysis of the parameters through RF circuit parameter is researched.The results show that the LNA after the sensitivity analysis not only conforms to the specifications of the receiver，but also makes the performance more stable.

low noise amplifier(lna);noise figure;gain;sensitivity analysis

TN722.3

A

1673-4793(2012)02-0064-06

2012-3-19

梁晶晶(1987-)，女(汉族)，河南三门峡人，中国传媒大学硕士研究生.Email:liangjingjing@cuc.edu.cn

(责任编辑

:王 谦)