利用ADS設(shè)計(jì)低噪聲放大器

 

摘要: 介紹了一種利用ADS仿真器設(shè)計(jì)低噪聲放大器的方法。先總體闡述了低噪聲放大器的主要技術(shù)和性能指標(biāo),然后在采用NEC的2SC5507 (NE661M04)管的基礎(chǔ)上,依據(jù)低噪聲放大器的各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)同步進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和ADS仿真,最后使得低噪聲放大器的設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)初期的期望值,并成功地完成了低噪聲放大器的電路設(shè)計(jì)。

 

低噪聲放大器性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)步驟

低噪聲放大器的性能指標(biāo)

頻率范圍: 2. 0 ～2. 25 GHz;信號(hào)源阻抗: 50Ω;增益> 10 dB;噪聲系數(shù)< 2 dB;穩(wěn)定性: Unconditional。

設(shè)計(jì)步驟

放大器級(jí)數(shù)(選擇一級(jí)) ;晶體管選擇;電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);電路初步設(shè)計(jì);用Advance Design System 2005A (ADS)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化、仿真模擬。

低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

LNA的噪聲系數(shù)和噪聲溫度

放大器的噪聲系數(shù)N_F 可定義如公式1:

式中, N_F 為微波部件的噪聲系數(shù); S_in、N _in分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率; S_out、N_out分別為輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。通常,噪聲系數(shù)用分貝數(shù)表示。此時(shí)放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度T_e來(lái)表達(dá)。

噪聲溫度T_e與噪聲系數(shù)N_F 的關(guān)系如公式(2) :

式中, T₀ 為環(huán)境溫度,通常取為293 K。

LNA的功率增益、相關(guān)增益與增益平坦度

功率增益通常是指信源和負(fù)載都是50Ω 標(biāo)準(zhǔn)阻抗情況下實(shí)測(cè)的增益。實(shí)際測(cè)量時(shí),常用插入法,即用功率計(jì)先測(cè)信源給出的功率P₁ ; 再把放大器接到信源上, 用同一功率計(jì)測(cè)放大器輸出功率P₂。功率增益(G)等于P₂除以P₁。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關(guān)增益。噪聲最佳匹配點(diǎn)并非最大增益點(diǎn),通常,相關(guān)增益比最大增益大概低2～4 dB。功率增益的大小還會(huì)影響整機(jī)噪聲系數(shù)。公式3給出簡(jiǎn)化的多級(jí)放大器噪聲系數(shù)表達(dá)式。

式中,N_f 為放大器整機(jī)噪聲系數(shù); N_f1、N_f2、N_f3分別為第1、2、3級(jí)的噪聲系數(shù); G₁、G₂分別為第1、2級(jí)功率增益。

當(dāng)增益G₁和G₂足夠大的時(shí)候,整機(jī)的噪聲系數(shù)接近第一級(jí)的噪聲系數(shù)。因此多級(jí)放大器第一級(jí)噪聲系數(shù)大小起決定作用。增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏, 常用最高增益與最小增益之差,即ΔG表示。

工作頻帶

工作頻帶不但是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍,而且還要在全頻帶內(nèi)使噪聲滿足要求,并給出各頻點(diǎn)的噪聲系數(shù)。

動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號(hào)允許的最小功率和最大功率的范圍。動(dòng)態(tài)范圍的上限受非線性指標(biāo)限制。動(dòng)態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。當(dāng)放大器的噪聲系數(shù)N_f給定時(shí),輸入信號(hào)功率允許最小值計(jì)算如公式(4) :

式中,Δf_m 為微波系統(tǒng)的通頻帶;M 為微波系統(tǒng)允許的信號(hào)噪聲比, 或信號(hào)識(shí)別系數(shù); T₀ 為環(huán)境溫度293 K。

端口駐波比

低噪聲放大器的輸入匹配電路是按照噪聲最佳來(lái)設(shè)計(jì)的,其結(jié)果會(huì)偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)。此外,由于微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管或雙極性晶體管,其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB規(guī)律隨頻率升高而下降。為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性,在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無(wú)耗電抗性電路情況下,只能采用低頻段失配的方法來(lái)壓低增益,以保持帶內(nèi)增益平坦。因此,端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。

穩(wěn)定性

當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1 (即| Г₁ | < 1, | Г₂ | < 1)時(shí),不論源阻抗和負(fù)載阻抗如何,網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的,稱為絕對(duì)穩(wěn)定;反之,則稱為相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)條件穩(wěn)定的放大器,其負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇,而是有一定的范圍,否則放大器不能穩(wěn)定工作 。定義如公式(5) 、(6) 、(7) :

放大器在Г_S 輸入平面上絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件定義為公式(8) :

放大器在ГL 輸入平面上絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件定義為公式(9) :

晶體管選擇

采用了NEC的2SC5507 (NE661M04) ,它具有頻率高、噪聲低和低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。2SC5507 的Datasheet提供了寬頻段的S 參數(shù),ADS設(shè)置中也選用S 參數(shù)模型,因此用S 參數(shù)模型比較精確。選好器件以后可以先利用S參數(shù)來(lái)判斷它的穩(wěn)定性。由VDS = 2 V, ID = 5 mA, f = 2.0 GHz時(shí)的S 參數(shù)可得直流不是絕對(duì)穩(wěn)定,需要進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

ADS仿真

基本原理

為了使晶體管工作在放大區(qū),需確定靜態(tài)直流工作點(diǎn)。由2SC5507 的Datasheet可以得到:VDS = 2 V, ID = 5 mA。基本仿真原理圖的各個(gè)元件放置如圖1所示。

K₁ : K = stab_fact ( S) , stab_fact ( S)函數(shù)返回Rolette穩(wěn)定因子。K > 1時(shí)電路絕對(duì)穩(wěn)定,此時(shí)穩(wěn)定量B₁ > 1。

M₁ :M_u = M_u ( S ) ,M_u ( S )函數(shù)返回負(fù)載的幾何導(dǎo)出因子。M_u > 1時(shí)電路絕對(duì)穩(wěn)定。B₁ : B₁ =stab_meas ( S) , stab _meas ( S) 函數(shù)返回穩(wěn)定量。由仿真結(jié)果可見(jiàn)2. 0 GHz以上頻率的Mu 沒(méi)有滿足都大于1,在未增加輸出穩(wěn)定性電路前,晶體管輸出是不穩(wěn)定的,因此需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì),增加輸出穩(wěn)定性電路。

增加輸出穩(wěn)定性電路

在原圖的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個(gè)RC串聯(lián)電路,也可以添加LC或RL電路,具體可以和輸出匹配電路同時(shí)考慮來(lái)設(shè)計(jì)。這里R₁ = 50 Ω, C₁ = 2. 0pF。電路圖如圖2所示。

增加輸出穩(wěn)定性電路后仿真結(jié)果為,當(dāng)晶體管頻率在2 GHz～3 GHz之間M_u > 1,由此可知系統(tǒng)是絕對(duì)穩(wěn)定的。

最佳噪聲匹配

對(duì)于LNA,如果輸入口有一定的失配,反而可以調(diào)整器件內(nèi)部各種噪聲之間的相位關(guān)系,從而降低噪聲系數(shù)。為了獲得最小的噪聲系數(shù), Г_S有個(gè)最佳值Г_opt ,此時(shí)LNA達(dá)到最小噪聲系數(shù),即達(dá)到最佳噪聲匹配狀態(tài)。其中Г_opt是最佳信源反射系數(shù)(微波晶體管等效噪聲參數(shù)) 。當(dāng)匹配狀態(tài)偏離最佳時(shí),LNA的噪聲系數(shù)將增大。Г_opt可以從器件的Datasheet文件中獲得。S_OPT為最小噪聲的最優(yōu)匹配系數(shù)。利用這個(gè)最優(yōu)系數(shù)可以進(jìn)行輸入匹配電路的設(shè)計(jì)。噪聲系數(shù)仿真電路如圖3所示。

由匹配結(jié)果得S_OPT = 0. 32 /29. 4 (幅度和角度) 。

根據(jù)噪聲最小設(shè)計(jì)輸入匹配電路

輸入匹配電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

輸入反射系數(shù)S [1, 1 ]設(shè)置為S_OPT的共軛,用來(lái)進(jìn)行50Ω匹配。最佳輸入匹配系數(shù)由前面得到C₁ = 1. 73 pF, L₁ = 5. 79 nH。匹配結(jié)果如圖5所示。由圖5可得: S (1, 1) = 0. 097E - 4 /4. 374。

至此,按照噪聲系數(shù)最小原則設(shè)計(jì)的輸入阻抗匹配完成了。

根據(jù)功率增益最大設(shè)計(jì)輸出匹配電路

根據(jù)最大功率增益原則設(shè)計(jì)輸出匹配電路,就是將輸出端進(jìn)行50Ω 匹配�？紤]到輸出穩(wěn)定性電路的存在對(duì)輸出阻抗的影響,輸出匹配電路的形式有點(diǎn)不同。與輸入阻抗匹配方法一樣設(shè)計(jì)輸出匹配電路。電路圖如圖6所示。

優(yōu)化得L₂ = 3. 651 nH, L₄ = 4. 028 nH。匹配結(jié)果如圖7所示。由圖可得: S (1, 1) =2. 412E - 4 / - 38. 789。

至此,輸入輸出匹配電路完成。仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。由此可得增益:16. 917 dB;噪聲系數(shù): 1. 649 dB。

結(jié)論

由最后的仿真結(jié)果看到增益: 16. 917 dB;噪聲系數(shù): 1. 649。其結(jié)果均符合設(shè)計(jì)初的性能指標(biāo),但工作頻段較小,這也正常。這是因?yàn)樵趯掝l帶情況下難于獲得極低噪音,所以低噪聲放大器的工作頻帶一般不大寬,較多為2 GHz左右。