UHF寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)

1 引言

低噪聲放大器（low-noise amplifier，簡稱LNA）是射頻接收機(jī)前端的主要部件。它的增益、噪聲、線性度等直接影響整個(gè)電路系統(tǒng)的性能。UHF頻段從300～3000MHz，是當(dāng)前無線通信應(yīng)用比較集中的一個(gè)頻段，如WLAN、GPS、GSM等等，所以該頻段對射頻模塊電路的需求量大。本文利用EM/circuit 協(xié)同仿真設(shè)計(jì)了一款覆蓋整個(gè)UHF頻段的寬帶低噪聲放大器，給出了具體實(shí)例。

2 LNA設(shè)計(jì)思路

主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：頻率500～3000MHz，增益≥14dB，平坦度±0.5dB，輸入輸出回波損耗>10dB，NF≤1.4dB，輸出P-1≥14dBm，工作電壓3.3v，電流100mA。微波放大器根據(jù)功能可以分為低噪聲放大器（LNA）, 功率放大器（PA）和驅(qū)動放大器（Driver Amplifier）。對于低噪聲放大器的設(shè)計(jì),器件選擇十分重要，以噪聲系數(shù)為評價(jià)指標(biāo)對器件排序如下：HEMT>JFET,MESFET>HBT>BJT>CMOS我們綜合成本和性能的要求，選擇Agilent的ATF-54143，它是HEMT，噪聲系數(shù)很低，而且在3GHz時(shí)，MAG還有19.77dB (Vds=3V，Ids=20mA)。

首先考慮放大器的穩(wěn)定性，一般放大器不是全頻帶穩(wěn)定的，將一個(gè)放大器簡化為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，則無條件穩(wěn)定條件可表示為:

(1)

(2)

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從而可以得到輸入和輸出的穩(wěn)定性判定因子及穩(wěn)定系數(shù)分別為

(4)

(5)

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(其中：Δ=S₁₁S₂₂ - S₂₁S₁₂)它們分別是源和負(fù)載端的穩(wěn)定性判定因子，只要它們之中有一個(gè)大于1，另外一個(gè)也必然大于1，而且K也會大于1，此時(shí)放大器無條件穩(wěn)定。對于LNA，電阻的出現(xiàn)會提高放大器的穩(wěn)定性，降低放大器的增益，增加放大器的噪聲，所以最好把穩(wěn)定放大器的電阻放到輸出端去，同時(shí)由于放大器一般是在某些頻段不穩(wěn)定的，這時(shí)可以對電阻元件引入并聯(lián)或串聯(lián)電容，使得電阻對某些特定頻率進(jìn)行較大衰減，這樣將對不穩(wěn)定頻段的穩(wěn)定性有所改善，同時(shí)盡可能少的影響其它頻段的穩(wěn)定系數(shù)K，這是因?yàn)?/p>

(7)

如果K值過大，放大器的增益下降會很厲害，一般K取1.1左右比較好。寬帶阻抗匹配是一個(gè)困難的問題。因?yàn)閺?fù)阻抗通常隨頻率變化， Bode和Fano等人指出，當(dāng)存在電抗元件時(shí)，在寬帶匹配方面有一個(gè)實(shí)際極限，如式(8)所示：

(8)

雖然有多種實(shí)現(xiàn)寬帶放大器的技術(shù)，但是常用的主要有以下兩種：平衡式放大器、反饋式放大器?；诔杀竞腕w積的考慮, 我們采用負(fù)反饋進(jìn)行寬帶放大器的設(shè)計(jì)。如圖1所示的負(fù)反饋電路, 電阻元件R₁ 和R₂的優(yōu)化初值選擇依照下面公式：

(9)

(10)

圖1 電阻負(fù)反饋電路

對于LNA，對于單級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為

(11)

其中F_min為晶體管的最小噪聲系數(shù)，它由放大器晶體管本身決定，Γ_opt、Γ_s和R_n分別為獲得最佳反射系數(shù)、晶體管輸入端源反射系數(shù)以及晶體管的等噪聲電阻。所以輸入匹配電路主要讓噪聲系數(shù)最小，但為了保證增益、駐波和帶寬的指標(biāo)，輸入輸出匹配電路需要在Γ_opt、S₁₁、S₂₂和Gain之間取舍。采用諧振單元加傳輸線的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)寬帶LNA的設(shè)計(jì),如圖2所示。研究諧振單元加傳輸線的匹配特性，結(jié)果如圖3所示。一般的匹配網(wǎng)絡(luò)，如L型或者型電路等，它們的帶寬是有限的，如果要達(dá)到寬帶，需要混合使用，而其在Smith圓圖上，經(jīng)過每一個(gè)元件匹配后的Q值都不能變大，顯然當(dāng)各個(gè)點(diǎn)處的Q值相等時(shí)匹配結(jié)果最優(yōu)，因?yàn)閺?8)式可以看出，若有任意一點(diǎn)的Q值變大，整個(gè)帶寬就會變小。下面給出一個(gè)采用諧振單元的例子如圖2所示。從圖3的仿真結(jié)果可以看到，由于諧振單元的電抗特性，在較寬的頻帶內(nèi)可以達(dá)到較好的匹配效果。

圖2 諧振單元加傳輸線的匹配電路

圖3 匹配結(jié)果

3 LNA仿真、優(yōu)化

在實(shí)際制作放大器時(shí)，必須考慮場效應(yīng)管源極接地的影響。在頻率較低時(shí)，其影響可以忽略不計(jì)，但在微波頻段，接地情況直接惡化實(shí)際的性能。為考慮接地對信號傳輸?shù)挠绊?，采用ADS自帶的momentum軟件仿真實(shí)際封裝下源極接地的影響，實(shí)際接地及其等效電路如圖4。

圖4 實(shí)際源極接地及其等效電路

利用上面的方法設(shè)計(jì)放大器電路圖結(jié)構(gòu)如圖5所示:

圖5 LNA原理圖

優(yōu)化電路使其滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇實(shí)際可以購買到的標(biāo)稱元件值，代入實(shí)際電容、電感的S參數(shù)模型，再次對微帶線進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)然此時(shí)也可以對元件值進(jìn)行優(yōu)化，有的廠商提供的數(shù)據(jù)是可以優(yōu)化的。接下來進(jìn)行EM/Circuit Co-Simulation，在ADS的layout中建立微帶線、連接線、接頭的模型，通過矩量法計(jì)算這些模型并封裝成元件，并把它們代入原理電路中進(jìn)行計(jì)算，再次微調(diào)元器件的值和微帶線的尺寸，此時(shí)接頭、連接線是不能變化的。最后得到仿真結(jié)果如下表

表1 LNA仿真結(jié)果

4 測試結(jié)果

我們搭建的測試系統(tǒng)和LNA電路如圖6所示，整個(gè)電路尺寸為53mm×26mm。測試結(jié)果如圖7和圖8所示，該低噪放在0.5~3GHz UHF頻段內(nèi)噪聲系數(shù)小于1.48，增益大于14.5dB，帶內(nèi)平坦度為0.5dB左右，輸入輸出回波損耗都大于10dB。由實(shí)測結(jié)果可以看出本文設(shè)計(jì)的寬帶LNA基本達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

圖6 (a)測試系統(tǒng); (b)實(shí)際LNA電路

圖7 S₁₁和S₂₂的測試結(jié)果

圖8 Gain和Noise Figure的測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文利用EM/Circuit Co-Simulation設(shè)計(jì)了一款UHF寬帶低噪聲放大器。在原理電路的設(shè)計(jì)中采用電阻并聯(lián)或串聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)平衡增益和穩(wěn)定性之間的矛盾，采用負(fù)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶效應(yīng)，利用諧振單元加傳輸線來平衡噪聲和增益之間的矛盾，采用實(shí)際封裝接地的全波仿真保證了設(shè)計(jì)結(jié)果和仿真結(jié)果的吻合。本文詳細(xì)分析并給出UHF波段寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)實(shí)例，對工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。