基于ADS低噪声放大器电路设计研究①

2018-12-27，，，

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年6期

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(佳木斯大学理学院，黑龙江佳木斯 154007)

0 引言

5G时代的来临射频功率放大器的功耗问题受到越来越多的重视，高效、低能耗已经成了设备制造商制作接收机首要目标，低噪声放大器在接收系统的最前端，它的作用是放大来自外界的信号解答出有用信息，提高接收机的灵敏度，并降低线路中自身产生的信号干扰。随着工艺的发展和材料的发现，低噪声放大器的发展取得了显著的提高，微波和毫米波的发展带来了对放大器更高的需求性，在各个领域中对放大器的前景都激起了猛烈的兴趣。所以低噪声放大器设计的发展对通讯技术的发展也起到推进的作用，而低噪声放大器不光应用在通讯技术中，在许多科技领域里都可以找到它的身影，随着科技的进步，作为一款基础电路，其发展前景十分理想的，一座巍峨的建筑是与坚强的基础分不开的，而低噪声放大器对于所有的接收类电路器件也是一个密不可分且重要非常的基础。

1 放大器基本原理

由于阻抗匹配可以提高信号的传输效率，因此低噪声放大电路的输入端与输出端可以看成二端口网络，在二端口的网络分析中电路的效率直接影响整体电路的工作性能，根据电路中源和负载端的阻抗匹配情况，通常使用三种功率增益，增益与某些工作性能指标有关，可以根据不同的指标要求设计出更符合要求的放大器。

工作功率增益GP与源内阻ZS无关与ZL相关，定义为负载吸收功率PL与网络输入功率Pin之比。

GP=PL/Pin

(1)

资用功率增益GA与源内阻ZS与负载内阻ZL都有关，定义为网络可用功率Pavn与信号源可用功率Pavs之比

图1 放大器增益分析框图

图2 低噪声原理图

(2)

转移功率增益GTGT与源内阻ZS和负载内阻ZL都有关系，为负载吸收功率PL与信号源可用功率Pavn之比，

GT=PL/Pavs

(3)

这三种放大器增益对于设计放大器都具有一定的指导作用。一个优良的电路噪声与增益、稳定度一起得到满足才可以说得上设计成功，为了同时考虑其三者的关系，利用ADS软件，通过模拟出增益圆图和等噪声圆图优化设计找到最佳源阻抗，寻求高效、低噪声发达电路，放大器增益分析框图如图1所示。通过图1给出三种增益的确切数学表达式和使用范围：

(4)

(5)

所以求出a1与b2就可以求出Pin与PL。由输入端的归一化电压表达式可以求出a1与b2。对双端口网络可得到网络负载吸收功率与输入功率

(6)

(7)

功率增益的表达式为

(8)

信号源资用功率PAVS是网络源阻抗共轭与输入阻抗匹配时信号源的输出功率，即ΓS=Γin*成立时。由PL的表达式得到

(9)

网络资用功率PAVN为网络输出阻抗与负载阻抗成共轭匹配时端口输出功率，即ΓL=Γout*成立时。由PL负载吸收功率得到

(10)

根据双端口网络输入与输出特性表达式为

(11)

(12)

推导出公式

(13)

整理得出公式

(14)

图3 2.5G低噪声放大电路仿真

得到资用功率的表达式

(15)

得到转移功率增益的表达式

(16)

由于器件的参数随着频率发生变化，导致放大电路的带宽变小，增益会随着频率升高下降，所以在设计放大器时通常使用多级级联结构来达到所需增益值，但这有可能使放大器的增益平坦度变差。所以在设计中不但要保障增益和频带符合需求还要使增益平坦度也要符合的设计目标要求。增益平坦度在外界环境不变时，可以在有效的频率范围内将低噪声放大器在正向传送频谱特性时扫描到的频谱结果体现在一定标准下的增益波动范围内，它的一般表达式为：

(17)

其中Gmax与Gmin分别表示低噪声放大器在频带内的最大正向与最小正向传输值。带宽可以使用绝对带宽与相对带宽两种定义方式，绝对带宽一般表达式为

BW(Hz)=fH-fL

(18)

物理意义为放大器工作的最高频率与最低频率之差。其中，fH表示最高点频率，fL表示最低点频率，带宽BW单位为赫兹。但在使用绝对带宽时，经常只给出带宽却不能给出中心频率，这样的结果就不能准确反映出带宽的确切含义。所以在设计射频电路是经常使用相对带宽。低噪声放大器电路的性能不稳定会产生震荡，这种震荡也存在着使器件完全失去功能的可能性。经常在不恒定的振幅和频率下产生的以个混乱的响应，最坏的是无论什么样的外部电路晶体管总是会产生震荡，稳定性就成为最大功率增益和方便的电路设计的要素之一。当信号反射由源输入到端口时Γin幅值就会上升，若信号的反射发生在输入端口是就会产生震荡，所以

ΓSΓin>1

(19)

放大器就会在输入端不稳定。在输出端也会发生同样的原理

ΓLΓout>1

(20)

放大器在输出端就会产生不稳定。当源于负载都是无源的时候保障放大器的稳定性的条件就是|Γin|<1和|out|<1，它表达放大器绝对稳定的条件是

(21)

|S11|2<1-|S12S21|

(22)

|S22|2<1-|S12S21|

(23)

k位稳定性判别系数，k>1就是放大器的稳定状态。当上述三个条件都得到满足放大器就处于绝对稳定的条件下。