L波段200MHz帶寬LNA設(shè)計(jì)

　　從公式(4)可以看出，在源極串聯(lián)電感后，可以增加晶體管雙端口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的實(shí)部，而虛部基本保持不變，使其逐漸與最佳噪聲匹配的阻抗重合;另一方面，增加一個(gè)無(wú)源元件不會(huì)使晶體管的噪聲性能惡化。接入源極負(fù)反饋后，對(duì)ATF54143進(jìn)行仿真。圖2即為晶體管穩(wěn)定性改善前后的仿真結(jié)果圖，(a)是末接入源極負(fù)反饋時(shí)，晶體管在小于3.5GHz的頻段內(nèi)都是不穩(wěn)定的;(b)是接入源極電感后，ATF54143在1.9GHz～2.1GHz頻段范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的。可見(jiàn)采用源極串聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)后，穩(wěn)定性因子K在所要求的頻率范圍內(nèi)大于1，滿足絕對(duì)穩(wěn)定的條件要求。

　　晶體管穩(wěn)定性改善前后的仿真結(jié)果圖

　　偏置電路的設(shè)計(jì)

　　直流偏置電路為放大器提供合適的電壓和電流，使得晶體管工作于要求的靜態(tài)工作點(diǎn)，并在晶體管參數(shù)和溫度變化的范圍內(nèi)，保持靜態(tài)工作點(diǎn)的恒定。根據(jù)器件特性選擇最佳條件，這里選取ATF54143的典型直流工作點(diǎn)參數(shù)：VDS=3V，ID=60mA;偏置的方式采用了電阻偏置，它有較好的溫度穩(wěn)定性。

　　結(jié)合上述偏置電路的設(shè)計(jì)原則和ATF54143的S參數(shù)數(shù)據(jù)，就可設(shè)計(jì)出如圖3所示的直流偏置電路。

　　直流偏置電路

　　其中Vdc是饋電電壓，其值選5V;Vds是ATF54143的漏源工作電壓，大小為3V;Idc是ATF54143靜態(tài)工作點(diǎn)所需的漏極電流，大小為60mA;IBB是流過(guò)R3、R4電阻分壓器的電流，它一般至少為門極漏電流的10倍，這里選為2mA;R2的計(jì)算則基于Vdc和Idc。由公式(5)、(6)、(7)可計(jì)算出R2=32.3Ω，R3=1200Ω，R4=300Ω。R5為高阻態(tài)電阻，這里選取R5值為12KΩ，取較大的阻值可以提高晶體管的效率。

　　晶體管的效率公式

　　輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

　　低噪聲放大器設(shè)計(jì)中，輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是在獲得噪聲系數(shù)、增益指標(biāo)的前提下，將晶體管的輸入阻抗、輸出阻抗分別變換到標(biāo)準(zhǔn)的50Ω。通常低噪聲放大器的最大增益和最佳噪聲系數(shù)不可能同時(shí)獲得，因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要對(duì)增益和噪聲系數(shù)等指標(biāo)取折衷，以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

　　設(shè)計(jì)中采用的基板是厚度為1 mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.7的F4B介質(zhì)板。第一級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)根據(jù)ATF54143的小信號(hào)S參數(shù)計(jì)算出放大器中心頻率的輸入、輸出阻抗，輸入阻抗Zin=50×(0.999+j3.928E-4)，輸出阻抗Zout=50×(1.017+j0.064)，采用共軛匹配的方法，即ZS=Z*in，ZL=Z*out，從而進(jìn)行輸入和輸出匹配電路的設(shè)計(jì)，并采用ADS軟件對(duì)設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)微帶電路尺寸進(jìn)行優(yōu)化、仿真。

　　放大器的噪聲系數(shù)頻率響應(yīng)如圖4所示，從圖中可以看出放大器的噪聲系數(shù)在中心工作頻率大約為0.6dB;圖5為放大器增益/頻率曲線，可以看出，設(shè)計(jì)的第一級(jí)放大器增益在工作頻率范圍內(nèi)大于10dB。

　　放大器的噪聲系數(shù)頻率響應(yīng)

　　放大電路第二級(jí)的MGA86576由于本身就是一個(gè)內(nèi)匹配的增益模塊，可直接與第一級(jí)進(jìn)行級(jí)聯(lián)。但為了減小輸入/輸出回波損耗，所以在此級(jí)放大電路加入了匹配電路的設(shè)計(jì)，步驟與第一級(jí)類似，級(jí)間用電容相連。

　　仿真結(jié)果

　　電路設(shè)計(jì)完成后，使用ADS軟件對(duì)設(shè)計(jì)的低噪聲放大器進(jìn)行仿真，其中，圖6為低噪聲放大器的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果，可以看出在1.90GHz～2.10GHz頻段中噪聲系數(shù)NF≤0.67dB;圖7為低噪聲放大器的增益特性頻率響應(yīng)，在2.0GHz頻點(diǎn)上，增益大約為38dB;圖8為整個(gè)低噪聲放大器的輸入、輸出回波損耗頻率響應(yīng)，其中的虛線是輸入回波損耗，實(shí)線是輸出回波損耗，在整個(gè)工作頻段內(nèi)輸入回波損耗小于-15dB，輸出回波損耗小于-22dB。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了一種采用源極串聯(lián)負(fù)反饋提高低噪聲放大器穩(wěn)定性的方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為2GHz、帶寬為200MHz的L波段低噪聲放大器，仿真結(jié)果表明，源極串聯(lián)負(fù)反饋可以提高放大器的低頻穩(wěn)定性。