低噪聲放大器的主要技術(shù)、性能指標和如何實現(xiàn)設(shè)計

本文介紹了一種利用ADS仿真器設(shè)計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，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指標來同步進行電路的設(shè)計、優(yōu)化和ADS仿真，最后使得低噪聲放大器的設(shè)計結(jié)果達到設(shè)計初期的期望值，并成功地完成了低噪聲放大器的電路設(shè)計。

低噪聲放大器性能指標及設(shè)計步驟

低噪聲放大器的性能指標

頻率范圍： 2. 0 ～2. 25 GHz;信號源阻抗： 50Ω;增益》 10 dB;噪聲系數(shù)

設(shè)計步驟

放大器級數(shù)（選擇一級） ;晶體管選擇;電路拓撲結(jié)構(gòu);電路初步設(shè)計;用Advance Design System 2005A （ADS）軟件進行設(shè)計、優(yōu)化、仿真模擬。

低噪聲放大器的主要技術(shù)指標

LNA的噪聲系數(shù)和噪聲溫度

放大器的噪聲系數(shù)NF 可定義如公式1：

式中， NF 為微波部件的噪聲系數(shù); Sin、N in分別為輸入端的信號功率和噪聲功率; Sout、Nout分別為輸出端的信號功率和噪聲功率。通常，噪聲系數(shù)用分貝數(shù)表示。此時放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度Te來表達。

噪聲溫度Te與噪聲系數(shù)NF 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載都是50Ω 標準阻抗情況下實測的增益。實際測量時，常用插入法，即用功率計先測信源給出的功率P1 ; 再把放大器接到信源上，用同一功率計測放大器輸出功率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。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，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影響整機噪聲系數(shù)。公式3給出簡化的多級放大器噪聲系數(shù)表達式。

式中，Nf 為放大器整機噪聲系數(shù); Nf1、Nf2、Nf3分別為第1、2、3級的噪聲系數(shù); G1、G2分別為第1、2級功率增益。

當增益G1和G2足夠大的時候，整機的噪聲系數(shù)接近第一級的噪聲系數(shù)。因此多級放大器第一級噪聲系數(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，并給出各頻點的噪聲系數(shù)。

動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號允許的最小功率和最大功率的范圍。動態(tài)范圍的上限受非線性指標限制。動態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。當放大器的噪聲系數(shù)Nf給定時，輸入信號功率允許最小值計算如公式（4）：

式中，Δfm 為微波系統(tǒng)的通頻帶;M 為微波系統(tǒng)允許的信號噪聲比，或信號識別系數(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設(shè)計的，其結(jié)果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)。此外，由于微波場效應(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耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓低增益，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

當放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1 （即| Г1 | 2 |

放大器在ГS 輸入平面上絕對穩(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。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)來判斷它的穩(wěn)定性。由VDS = 2 V， ID = 5 mA， f = 2.0 GHz時的S 參數(shù)可得直流不是絕對穩(wěn)定，需要進行穩(wěn)定性設(shè)計。

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。由2SC5507 的Datasheet可以得到：VDS = 2 V， ID = 5 mA?；痉抡嬖韴D的各個元件放置如圖1所示。

K1 ： K = stab_fact （ S）， stab_fact （ S）函數(shù)返回Rolette穩(wěn)定因子。K 》 1時電路絕對穩(wěn)定，此時穩(wěn)定量B1 》 1。

M1 ：Mu = Mu （ S ），Mu （ S ）函數(shù)返回負載的幾何導(dǎo)出因子。Mu 》 1時電路絕對穩(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2. 0 GHz以上頻率的Mu 沒有滿足都大于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，因此需要對其進行穩(wěn)定性設(shè)計，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考慮來設(shè)計。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，當晶體管頻率在2 GHz～3 GHz之間Mu 》 1，由此可知系統(tǒng)是絕對穩(wěn)定的。

最佳噪聲匹配

對于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)， ГS有個最佳值Гopt ，此時LNA達到最小噪聲系數(shù)，即達到最佳噪聲匹配狀態(tài)。其中Гopt是最佳信源反射系數(shù)（微波晶體管等效噪聲參數(shù)）。當匹配狀態(tài)偏離最佳時，LNA的噪聲系數(shù)將增大。Гopt可以從器件的Datasheet文件中獲得。SOPT為最小噪聲的最優(yōu)匹配系數(shù)。利用這個最優(yōu)系數(shù)可以進行輸入匹配電路的設(shè)計。噪聲系數(shù)仿真電路如圖3所示。

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