射频低噪声放大器的ADS设计

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 图1 晶体管放大器电路原理框图

放大器必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。这一点对于射频电路是非常重要的，因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的趋势。考察电压波沿传输线的传输，可以理解这种振荡现象。若传输线终端反射系数Γ0>1，则反射电压的幅度变大（正反馈）并导致不稳定的现象。反之，若Γ0>1，将导致反射电压波的幅度变小（负反馈）。
当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1,即Γin<1, Γout<1 时，不管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定；当输入端或输出端的反射系数的模大于1时，网络是不稳定的，称为条件稳定。对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围，否则放大器不能稳定工作【3】。
2.5 输入阻抗匹配
低噪声放大器与其信号源的匹配是很重要的。放大器与源的匹配有两种方式：一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配，二是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配。一般来说，现在绝大多数的LNA 均采用后一种匹配方法，这样可以避免不匹配而引起LNA 向天线的能量反射，同时，力求两种匹配接近。
2.6 端口驻波比和反射损耗
低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。此外，由于微波场效应晶体或双极性晶体管，其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB 规律随频率升高而下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压低增益，以保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。

3. 低噪声放大器设计仿真及优化

3.1 设计目标
本文低噪声放大器的设计目标是：
频率：2.1GHz~2.4GHz 噪声系数：小于0.5dB (纯电路噪声系数不考虑连接损耗)
增益：大于15dB 增益平坦度：每10MHZ 带内小于0.1 dB
输入输出驻波比：小于2.0 输入输出阻抗：50Ω
3.2 仿真设计
在较高的频段设计低噪声放大器，通常选用场效应管FET 和高电子迁移率晶体管（HEMT）。影响放大器噪声系数的因素有很多，除了选用性能优良的元器件外，电路的拓扑结构是否合理也是非常重要的。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，放大器存在着最佳的信号源阻抗Zso，如果所示，此时，放大器的噪声系数应该是最小的，所以放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计，也就是根据所选晶体管的Гopt 来进行设计。为了得到较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出匹配电路则采用共扼匹配。输入匹配电路在达到最佳噪声时，放大器的输入阻抗未必恰好与信号源阻抗匹配，因而功率放大倍数不是最大。设计放大器时，首先考虑的是噪声尽可能低，其次才考虑增益的问题。因此，牺牲一点增益来换取噪声系数的降低是必要的，两者之间应该取一个合适的折中。LNA 采用两级放大的方式来实现，为使放大器具有更低的噪声，第一级的工作点应根据最小噪声系数来选取最佳的工作电流。为保证有足够的增益，第二级应从最佳增益条件来考虑，同时兼顾噪声。
具体的设计流程：
1．首先选择合适的器件。选择适用于工作频率且具有可接受的增益和噪声系数的BJT、JEFT 和MESFET。工作频率在6GHz 以下时，大多使用双极晶体管；工作频率在6GHz 以上时，大多选用场效应晶体管。而且，通常要求晶体管的截至频率大于或等于2-3 倍的工作频率。低噪声放大器则要求截至频率更高一些。本文选取NEC 公司低噪声产品系列的
NE3210S01 N 沟道HJ－FET，其性能如图2 所示，它在2－4GHz 的频宽内增益在18dB 以上，噪声系数在0.5dB 以下，符合设计指标。上网下载并安装NEC 公司提供的ADS Design Kit for NEC Electronics，该工具包集成了NEC 系列低噪声放大器的FET、JBJT、HJ-FET，安装在ADS 中后可以从元件库面板中选择所需的管子。由于Design Kit 中的元器件是已经封装好的晶体管，所以无需再在ADS 中建立其Spice 模型，直接从手册中查到所选取管子在特定偏置下的各个工作点的S 参数，从中选择恰当的工作点，使得以此为依据在电路原理图中设计偏置电路。合适且稳定的工作点决定了管子的动态范围，是保证放大器不出现平顶失真的前提，而且直接影响放大器的高频稳定性，本文选择典型的静态工作点VDS＝2.0V，ID＝10mA【4】。

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图2 NE3210S01 的S 参数以及增益、噪声特性

2.晶体管S 参数的测量并确定工作点。利用ADS 的S 参数仿真在所需要的频带内求出低噪管的S 参数，并与手册所提供的S 参数对比，通过调整栅源电压VGD 不断修正S 参数最终得到合适的偏置电路。由于外界因素中温度对回路的Q 值影响最大，故偏置电路在S参数仿真时应注意按照提示窗口所给出的信息修改模型的温度，本文管子的仿真环境温度为16.85℃。加好偏置电路之后测试结果如图3 所示VGD＝-0.526v, ID=9.87mA,VD=2.0V。

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图3 低噪管的I－V 特性

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图4 稳定判据μ 参数的频率响应曲线