基于ADS的射频低噪声放大器的设计与仿真*

2012-07-17顾天夏

山西电子技术 2012年2期

关键词：噪声系数低噪声晶体管

周正，顾天夏

(1.南京工程学院通信工程学院，江苏南京211167;2.南京外国语学校，江苏南京210008)

从天线接收的微弱信号由处于射频接收机前端的放大器进行放大，因此要求该放大器具有一定的增益和较小的噪声系数。

本文借助Agilent公司的射频电路设计软件ADS(Advanced Design System)进行辅助设计一款高增益低噪声放大器(LNA)，并对其进行了仿真验证。

1 射频放大器的组成

单级射频放大器的组成如图1所示，包括射频晶体管放大电路和输入、输出匹配网络三部分。

图1 单级射频放大器的组成

2 射频放大器的设计

2.1 晶体管的选择

选择好晶体管器件对低噪声放大器的设计至关重要。根据工作频率、增益和噪声系数等指标要求，同时考虑到设计、仿真时便于得到相应的元器件模型，最终选用Avago公司的高电子迁移率晶体管(E-PHEMT)ATF-58143来进行设计(可以在Avago公司的网站上下载到ATF-58143的元件模型)。

2.2 偏置电路的设计

设计LNA首先需要确定静态工作点，利用ADS中的“DC_FET_T”的模板可以很方便地仿真出其输出特性曲线。再参考ATF-58143的datasheet，可以确定当Vds=3 V，Ids=35 mA时，各项设计指标满足要求。

确定静态工作点后，就要确定偏置电路的形式和参数。不需人工计算，借助ADS中的设计向导工具(DesignGuide→Amplifier→Tools→Transistor Bias Utility)可以轻易完成。因为ADS所提供的元件数值是非标称的，所以需要设计者用与ADS提供的数值接近的标称元件进行替代。偏置电路及各点静态参数如图2所示。

图2 偏置电路

2.3 稳定性分析及改善

晶体管绝对稳定的条件是K＞1，|Δ|＜1。其中:

如果这两个条件不能同时得到满足，电路将存在潜在的不稳定和振荡的可能［1］。对上述偏置条件下的晶体管进行稳定性仿真分析发现，在要求的工作频段内其稳定系数K＜1，不满足绝对稳定的条件。

通过引入负反馈的方式可以改善电路的稳定性，同时也能够拓展工作带宽。在输出端和输入端之间串联RC电路引入负反馈，其中的 R 需要满足条件［1］［4］:

同时在两个源极加上小的电感引入负反馈进一步改善稳定性，该电感的值需反复调节后方能确定。

对引入负反馈后的电路再次仿真，其工作频带内稳定系数K＞1，满足绝对稳定条件。

2.4 最小噪声系数的输入匹配电路设计，最大增益的输出匹配电路设计

如果输入匹配电路和输出匹配电路使射频器件的输入阻抗Zin和输出阻抗Zout都转换到标准系统阻抗Z0，即Zin=Z0，Zout=Z0(或，如图1所示)就可使器件的传输增益最高［2］。但输入、输出匹配时，噪声并非最佳。当ΓS=Γopt时，可以得最小的噪声系数。

利用ADS可以很方便地绘制出等功率增益圆和等噪声系数圆［3］，如图3所示。从图中可以看出，如果从m2点匹配到标准系统阻抗，将可以使电路获得最大的增益;如果从m3点匹配到标准系统阻抗，将可获得最小的噪声系数。显然最大增益和最小噪声系数不可同时得到。对于低噪声放大器，首要的是考虑最小噪声系数，因此对m3点进行匹配。借用ADS的自带工具“Smith Chart Utility Tool”进行，只要在其中设置好频率、源阻抗和目标阻抗值，就可以设计出所需要的输入匹配电路。

在输入端匹配完成以后，在原理图中加入阻抗测量控件测出输出阻抗，再次使用“Smith Chart Utility Tool”将输出阻抗匹配到标准系统阻抗，就可得到最大增益的输出匹配电路。