利用ADS設計低噪聲放大器

 

摘要: 介紹了一種利用ADS仿真器設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和性能指標,然后在采用NEC的2SC5507 (NE661M04)管的基礎上,依據(jù)低噪聲放大器的各項指標來同步進行電路的設計、優(yōu)化和ADS仿真,最后使得低噪聲放大器的設計結果達到設計初期的期望值,并成功地完成了低噪聲放大器的電路設計。

 

低噪聲放大器性能指標及設計步驟

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)< 2 dB;穩(wěn)定性: Unconditional。

設計步驟

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

低噪聲放大器的主要技術指標

LNA的噪聲系數(shù)和噪聲溫度

放大器的噪聲系數(shù)N_F 可定義如公式1:

式中, N_F 為微波部件的噪聲系數(shù); S_in、N _in分別為輸入端的信號功率和噪聲功率; S_out、N_out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。此時放大器自身產生的噪聲常用等效噪聲溫度T_e來表達。

噪聲溫度T_e與噪聲系數(shù)N_F 的關系如公式(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增益。噪聲最佳匹配點并非最大增益點,通常,相關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,N_f 為放大器整機噪聲系數(shù); N_f1、N_f2、N_f3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)N_f給定時,輸入信號功率允許最小值計算如公式(4) :

式中,Δf_m 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計的,其結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 | < 1, | Г₂ | < 1)時,不論源阻抗和負載阻抗如何,網(wǎng)絡都是穩(wěn)定的,稱為絕對穩(wěn)定;反之,則稱為相對穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器,其負載阻抗和源阻抗不能任意選擇,而是有一定的范圍,否則放大器不能穩(wěn)定工作 。定義如公式(5) 、(6) 、(7) :

放大器在Г_S 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。基本仿真原理圖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 :M_u = M_u ( S ) ,M_u ( S )函數(shù)返回負載的幾何導出因子。M_u > 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)定性電路后仿真結果為,當晶體管頻率在2 GHz～3 GHz之間M_u > 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,反而可以調整器件內部各種噪聲之間的相位關系,從而降低噪聲系數(shù)。為了獲得最小的噪聲系數(shù), Г_S有個最佳值Г_opt ,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Г_opt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。Г_opt可以從器件的Datasheet文件中獲得。S_OPT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計。噪聲系數(shù)仿真電路如圖3所示。

由匹配結果得S_OPT = 0. 32 /29. 4 (幅度和角度) 。

根據(jù)噪聲最小設計輸入匹配電路

輸入匹配電路設計如圖4所示。

輸入反射系數(shù)S [1, 1 ]設置為S_OPT的共軛,用來進行50Ω匹配。最佳輸入匹配系數(shù)由前面得到C₁ = 1. 73 pF, L₁ = 5. 79 nH。匹配結果如圖5所示。由圖5可得: S (1, 1) = 0. 097E - 4 /4. 374。

至此,按照噪聲系數(shù)最小原則設計的輸入阻抗匹配完成了。

根據(jù)功率增益最大設計輸出匹配電路

根據(jù)最大功率增益原則設計輸出匹配電路,就是將輸出端進行50Ω 匹配。考慮到輸出穩(wěn)定性電路的存在對輸出阻抗的影響,輸出匹配電路的形式有點不同。與輸入阻抗匹配方法一樣設計輸出匹配電路。電路圖如圖6所示。

優(yōu)化得L₂ = 3. 651 nH, L₄ = 4. 028 nH。匹配結果如圖7所示。由圖可得: S (1, 1) =2. 412E - 4 / - 38. 789。

至此,輸入輸出匹配電路完成。仿真結果如圖8、圖9所示。由此可得增益:16. 917 dB;噪聲系數(shù): 1. 649 dB。

結論

由最后的仿真結果看到增益: 16. 917 dB;噪聲系數(shù): 1. 649。其結果均符合設計初的性能指標,但工作頻段較小,這也正常。這是因為在寬頻帶情況下難于獲得極低噪音,所以低噪聲放大器的工作頻帶一般不大寬,較多為2 GHz左右。