低噪声放大器的两种设计方法

    低噪声放大器（ LN A）是射频收发机的一个重要组成部分， 它能有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机的传输距离。因此低噪声放大器的设计是否良好， 关系到整个通信系统的通信质量。本文以晶体管ATF54143 为例，说明两种不同低噪声放大器的设计方法， 其频率范围为2~ 2. 2 GHz；晶体管工作电压为3 V；工作电流为40 mA; 输入输出阻抗为50Ω。
1 定性分析

　　1. 1 晶体管的建模

　　通过网络可以查阅晶体管生产厂商的相关资料， 可以下载厂商提供的该款晶体管模型， 也可以根据实际需要下载该管的S2P 文件。本例采用直接将该管的S2P文件导入到软件中， 利用S 参数为模型设计电路。如果是第一次导入， 则可以利用模块SParams 进行S 参数仿真， 观察得到的S 参数与S2P 文件提供的数据是否相同， 同时， 测量晶体管的输入阻抗与对应的最小噪声系数，以及判断晶体管的稳定性等， 为下一步骤做好准备。

　　1. 2 晶体管的稳定性

　　对电路完成S 参数仿真后， 可以得到输入/ 输出端的mu 在频率2~ 2. 2 GHz 之间均小于1， 根据射频相关理论，晶体管是不稳定的。通过在输出端并联一个10 Ω和5 pF 的电容， m2 和m3 的值均大于1， 如图1，图2 所示。晶体管实现了在带宽内条件稳定， 并且测得在2. 1 GHz 时的输入阻抗为16. 827- j16. 041。同时发现，由于在输出端加入了电阻， 使得Fmin由0. 48 增大到0. 573，Topt 为0. 329 ∠125. 99°， Zopt = （ 30. 007 +j17. 754） Ω 。其中， Topt 是最佳信源反射系数。

图1 利用模块SParams 进行仿真的电路原理图

图2 输入/ 输出mu 与频率的关系

　　1. 3 制定方案

　　如图3 所示， 将可用增益圆族与噪声系数圆族画在同一个Ts 平面上。通过分析可知， 如果可用增益圆通过最佳噪声系数所在点的位置，并根据该点来进行输入端电路匹配的话， 此时对于LNA 而言， 噪声系数是最小的，但是其增益并没有达到最佳放大。因此它是通过牺牲可用增益来换取的 。在这种情况下， 该晶体管增益可以达到14 dB 左右， Fmin 大约为0. 48, 如图3 所示。

　　另一种方案是在可用增益和噪声系数之间取得平衡， 以尽可能用小噪声匹配为目标，采用在兼顾增益前提下的设计方案。在这种情况下该晶体管增益大约为15 dB左右， Fmin大约为0. 7（ 见图3）。这个就是本文中提到的第2 种方案。

图3 同一个Ts 平面上的可用增益圆族与噪声系数圆族。

　　2 以最佳噪声系数为设计目标方案的仿真

　　2. 1 输入匹配电路设计

　　对于低噪声放大器， 为了获得最小的噪声系数， Ts有个最佳Topt 系数值， 此时LNA 达到最小噪声系数，即达到最佳噪声匹配状态。当匹配状态偏离最佳位置时，LNA 的噪声系数将增大。前面定性分析中已经获得Topt= 0. 329∠125. 99°， 以及对应的Zopt = 30. 007 +j17. 754 Ω 。下面可以利用ADS 的Passive CIRcuit / MicorST rip Co nt ro lWindow 这个工具， 自动生成输入端口的匹配电路。

　　在原理图中添加一个DA_SSMatch1 的智能模块，然后修改其中的设置： F = 2. 1 GH z, Zin= 50Ω。值得注意的是， 利用该工具生成匹配电路时， Zload 是Zopt 的共轭。设置完毕后， 再添加一个MSub 的控件，该控件主要用于描述基板的基本信息， 修改其中的设置为H =0. 8 mm， Er = 4. 3，Mur = 1， CONd= 5. 88 × 107 ，H u =1. 0e+ 33 mm， T = 0. 03 mil。设置完后， 即可进行自动匹配电路的生成，结果电路如图4 所示。

图4 输入端口的匹配电路

　　将输入匹配电路添加到图1 后再进行S 参数的仿真。可以看到， 最佳噪声系数Topt 的位置由于输入匹配电路的加入而成功匹配到50Ω的位置。

　　2. 2 输出端匹配电路设计

　　根据最大功率增益原则进行输出端匹配电路的设计（ 考虑到输出稳定电路的存在， 对输出阻抗的影响，在进行输出阻抗测量时要把稳定电路计算在内） , 即将输出阻抗（ Zout= 8. 055- j8. 980, 如图5 所示）使用上述的方法匹配到50 Ω 。得到的输出端匹配电路如图6所示。

图5 输出阻抗匹配

图6 输出端匹配电路

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　　2. 3 仿真结果

　　观察最后的仿真结果可以看到， 增益为14. 4 dB;噪声系数为0. 586, 这与稳定后的晶体管最佳噪声系数0. 573非常接近， 且增益平坦度低， 稳定性能优异。具体性能指标如图7 所示。

图7 原理图仿真数据

　　3 以噪声系数为主兼顾增益为设计目标方案的仿真

　　3. 1 输入匹配电路设计

　　如果选择基板材料为环氧玻璃FR4 基板， 介电常数为4. 3, 厚度为0. 8 mm, 则2. 1 GHz 时的晶体管输入阻抗为16. 827- j16. 041。采用上述匹配电路生成方法， 输入匹配电路采用A DS 设计向导中的单支节模块来设计。可以很快得到图8 中的匹配电路。如图9 所示， 图中m6 = 50（ 0. 927+ j0. 001）。与50Ω的非常接近， 所以得出的输入端匹配情况比较合理。

图8 输入匹配电路

图9 加入输入匹配电路后的S 11 的smit h 原图

　　3. 2 输出匹配电路设计

　　在完成输入匹配电路设计之后， 可以对输出匹配电路进行设计。在此充分发挥CAD 软件的优势， 借助优化的方法来实现。基本过程如下：

　　将输入匹配电路的结果添加到图10 中，并在晶体管输出端添加如图所示的微带。调出优化控件， 并将优化的目标设置为dB （ S ） 11））为- 20, dB （S （ 22）） 为- 15。

　　在优化开始时， 先将T L1, T L2, TL3 宽度设置为61. 394 mil, 这是为了保障在考虑到板材、板材厚度等因素下微带线的特性阻抗为50 Ω。预设T L1, T L2,TL3 的长度， 优化一次后，刷新结果， 观察各种图表的指标是否更好， 数值是否达到设置的最大值， 如果达到最大值， 再次改变设置值重新优化。反复多次后，将会达到再次改变这几个数值， 若改变后对于各种指标作用不大， 可以尝试改变电阻和输入匹配的数值再进行优化。

　　通过多次调试发现， R1 设为15Ω， 以及加上TL7后，增益和噪声系数以及输入输出驻波比效果更好。仿真电路原理图及优化控件和目标控件如图10 所示。

图10 仿真电路原理图及优化控件和目标控件

　　3. 3 仿真结果

　　观察最后的仿真结果可以看到， 增益为15. 816 dB；噪声系数为0. 708，该指标均比定性分析时的都要好，其他性能指标如图11 所示。

图11 原理图仿真数据

　　4 结 语

　　通过对晶体管进行定性分析， 可以根据实际需要选择低噪声前置放大器的设计方案， 第一种方案的最佳噪声系数是以牺牲增益而得到的；第二种方案是以提高噪声系数为代价， 降低驻波比VSWR 的值得到的。2 种方法利用计算机辅助设计工具均可以快速实现，各有各自的存在价值， 这在很多场合都得到了应用。