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

　　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。