低噪声放大器的仿真设计

低噪声放大器处于接收机的最前端, 是接收机的第一级有源电路。低噪放的主要作用是放大射频前端的天线接收到的信号, 降低干扰噪声, 以供接受系统解调出所需的信号。

1 LNA主要技术指标

1.1 LN A噪声系数和噪声温度

放大器的噪声系数由公式 (1) 定义如下:

如上式所示, NF为射频元件的噪声系数;Si为输入端的信号功率, Ni为输入端噪声功率;Sout为输出端的信号功率, Nout为输出端噪声功率。

1.2 LNA工作带宽及增益

工作带宽是指功率增益满足平坦度要求以及噪声系数满足要求的的频带范围。

功率增益是指信号源和负载都是50Ω标准阻抗时的实测增益。实际测量时, 常用功率计先测出信号源的功率P1;然后将放大器接到信号源上, 再放大器输出功率2P, 功率增益G等于P2P1。

相关增益是指噪声最佳匹配情况下的增益。噪声最佳匹配点并不是最大增益点, 相关增益比最大增益一般来说要低大概2-4d B。功率增益的大小会影响整机噪声系数。下式给出了多级放大器噪声系数公式。

1.3 动态范围

动态范围的定义是:LNA输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。非线性指标限制了动态范围的上限而下限则取决于它的噪声性能。当放大器的噪声系数Nf是一定时, 允许输人信号功率最小值计算如下式所示:

在上式中, 0T为环境温度, 一般为293K;M为接收机系统允许的信号噪声比, 或信号识别系数;∆fm为接收系统的带宽。

1.4 LNA的端口驻波比

LNA的输入电路是按照噪声最佳匹配来设计的, 所以会偏离增益最佳的共扼匹配状态。因为场效应晶体管 (FET) 或双极性晶体管 (BJT) 得增益特性大体上都是按一个倍频程以6d B的规律随频率的升高而下降。为了使工作频带内增益曲线平坦, 在输入、输出匹配电路都是无耗抗性电路情况下, 只能采用低频段失配的方法来压低增益。所以, 端口驻波比曲线是随着频率的降低而升高。

1.5 放大电路的稳定性

网络稳定的定义是:电路的输入和输出端的反射系数的模小于1 (即Γ1<, 1Γ2<1) , 这时不论源阻抗和负载阻抗如何, 都是绝对稳定的;同理, 如果有任何一个反射系数大于的模1则是相对稳定。对不是绝对稳定的放大器它的负载及源阻抗不能是任意选择的, 而是有一定的选择范围, 否则放大器则是处非稳定工作状态。

2 晶体管的选型

在晶体管的选择上, 我们采用了AVAGO公司的A T F-3 4 1 4 3, 这个型号的晶体管有着频域宽、噪声低、增益比较高、线性度也比较好等优点。其静态参数为DSV=4V, DSI=60m A。

2.1 电路稳定性设计

用ADS软件对ATF-34143晶体管进行S参数稳定系数仿真, 其稳定系数K仿真结果如图1, 可以看出, 在设计频段内不是绝对稳定的 (K<1) 。

改善稳定性的方法之一是采用源级负反馈, 在仿真时我们使用的是无耗感抗负反馈, 但是在实际电路中, 常用微带线来构成反馈电路。在设计中我们发现适当的串联感抗负反馈电路, 可以使输入、输出的驻波稍有减小, 而稳定性得到增强。但如果反馈强度过强, 稳定性反而会下降。在图3中, 我们可以看到, 增加了反馈电路的放大器在整个工作频域里都是绝对稳定的 (K>1) 。

2.2 LNA输入输出端匹配电路的设计及仿真

输入端匹配电路时根据最佳噪声匹配来设计的。在低噪声放大器中, 假如在输入端有一定的失配, 可以通过调整器件内部各种噪声之间的相位关系来改善噪声系数。当放大电路达到最小噪声系数, 即电路处于最佳噪声匹配状态时, SΓ处于最佳值Γopt, Γopt即是最佳信源反射系数。而当匹配状态不是最佳状态时, 低噪放的噪声系数将增大。参数Γopt可以由AT F-34 14 3的Datasheet中可以获得。

输出匹配电路是根据最大功率增益原则来设计的, 在设计输出匹配电路时, 将输出端跟标准50Ω阻抗匹配。因为有输出稳定性电路对输出阻抗的影响, 输出匹配电路采用了不同的形式。仿真电路图如图4所示。

最后匹配结果在ADS上仿真图如下所示:

图4是输入端在噪声匹配条件下的结果图;图5、6是输出端在增益匹配条件下的结果图。

图7给出的是表征增益大小的S21的仿真结果, 这是在输出与50欧姆匹配时的增益, 在0.8GHz-1.1GHz处的大小为14.9d B, 且增益比较平滑, 符合性能要求。

3 结语

在的仿真结果图中可以看出:增益在14.92d B左右;且噪声系数较低。仿真结果基本符合设计初的性能指标, 且工作带宽较宽, 带内增益稳定。

摘要：介绍了一种利用ADS仿真软件设计低噪声放大器的方法。先总体阐述了低噪声放大器的主要技术和性能指标, 然后在采用AVAGO公司的ATF-34143晶体管的基础上, 根据低噪声放大器的各项指标来同步进行电路的设计、优化和仿真, 最后使得低噪声放大器的设计结果达到设计初期的期望值, 并成功地完成了低噪声放大器的电路设计。

关键词：低噪声放大器 (LNA) ,ADS仿真器,标准微带线

参考文献

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