基于ADS的射频低噪声放大器的设计与仿真

摘要：应用E-PHEMT器件ATF-58143设计了一款增益约20 dB，噪声系数小于0．5 dB的低噪声放大器。采用负反馈保证系统的稳定性，利用匹配网络保证了低噪声系数和高增益。结合该实例介绍了借助ADS软件进行低噪声放大器的设计方法，给出设计步骤，并对仿真结果进行了分析，对于LNA的研究与设计具有重要意义。
关键词：低噪声放大器；噪声系数；ADS软件；匹配

    从天线接收的微弱信号由处于射频接收机前端的放大器进行放大，因此要求该放大器具有一定的增益和较小的噪声系数。
    本文借助Agilent公司的射频电路设计软件ADS(Advanced Design System)进行辅助设计一款高增益低噪声放大器(LNA)，并对其进行了仿真验证。

1 射频放大器的组成
    单级射频放大器的组成如图1所示，包括射频晶体管放大电路和输入、输出匹配网络三部分。

2 射频放大器的设计
2．1 晶体管的选择
    选择好晶体管器件对低噪声放大器的设计至关重要。
    根据工作频率、增益和噪声系数等指标要求，同时考虑到设计、仿真时便于得到相应的元器件模型，最终选用Avago公司的高电子迁移率晶体管(E-PHEMT)ATF-58143来进行设计(可以在Avago公司的网站上下载到ATF-58143的元件模型)。
2．2 偏置电路的设计
    设计LNA首先需要确定静态工作点，利用ADS中的“DC_FET_T”的模板可以很方便地仿真出其输出特性曲线。再参考ATF-58143的datash eet，可以确定当Vds=3 V，Ids=35 mA时，各项设计指标满足要求。
    确定静态工作点后，就要确定偏置电路的形式和参数。不需人工计算，借助ADS中的设计向导工具(DesignGuide→Amplifier→Tools→ Transistor Bias Utility)可以轻易完成。因为ADS所提供的元件数值是非标称的，所以需要设计者用与ADS提供的数值接近的标称元件进行替代。偏置电路及各点静态参数如图2所示。

2．3 稳定性分析及改善
    晶体管绝对稳定的条件是K>1，|△|<1。其中：
   
    如果这两个条件不能同时得到满足，电路将存在潜在的不稳定和振荡的可能。对上述偏置条件下的晶体管进行稳定性仿真分析发现，在要求的工作频段内其稳定系数K<1，不满足绝对稳定的条件。
    通过引入负反馈的方式可以改善电路的稳定性，同时也能够拓展工作带宽。在输出端和输入端之间串联RC电路引入负反馈，其中的R需要满足条件：
   
    同时在两个源极加上小的电感引入负反馈进一步改善稳定性，该电感的值需反复调节后方能确定。
    对引入负反馈后的电路再次仿真，其工作频带内稳定系数K>1，满足绝对稳定条件。
2．4 最小噪声系数的输入匹配电路设计，最大增益的输出匹配电路设计
    如果输入匹配电路和输出匹配电路使射频器件的输入阻抗Zin和输出阻抗Zout都转换到标准系统阻抗Zo，即Zin=Zo，Zout=Zo(或，如图1所示)就可使器件的传输增益最高。但输入、输出匹配时，噪声并非最佳。当ΓS=Γopt时，可以得最小的噪声系数。

    利用ADS可以很方便地绘制出等功率增益圆和等噪声系数圆，如图3所示。从图中可以看出，如果从m2点匹配到标准系统阻抗，将可以使电路获得最大的增益；如果从m3点匹配到标准系统阻抗，将可获得最小的噪声系数。显然最大增益和最小噪声系数不可同时得到。对于低噪声放大器，首要的是考虑最小噪声系数，因此对m3点进行匹配。借用ADS的自带工具“Smith Chart Utility Tool”进行，只要在其中设置好频率、源阻抗和目标阻抗值，就可以设计出所需要的输入匹配电路。
    在输入端匹配完成以后，在原理图中加入阻抗测量控件测出输出阻抗，再次使用“Smith Chart Utility Tool”将输出阻抗匹配到标准系统阻抗，就可得到最大增益的输出匹配电路。
    当输出端的匹配完成后，因为改变了从输入端向里看的等效阻抗Zin，输入端的回波损耗会变差。为此，可以采用优化控件对输入端和输出端的匹配电路进行同时的优化改进，也可以使用Tunig工具进行调节。
2．5 最终电路及仿真结果分析
    匹配及优化后的电路如图4所示，电路中各元件的作用分别是：C6、L6是输入匹配电路；C7、L7是输出匹配电路；L1、L5、C3、R5是反馈元件；L3、L4是扼流电感；C4、C5是隔直耦合电容；C1、C2是旁路电容。

    需要说明的是，反馈电感L1、L5和匹配电路中的元件C6、L6、C7、L7等因为数值较小，在工程中常用微带线来代替。

    仿真结果如图5所示。其工作带宽达500 MHz，中心频率处增益接近20 dB，输入输出反射损耗小于-10 dB，噪声系数小于0．5 dB，稳定系数大于1。如果断开反馈电路后再次仿真，会发现增益有所加大，但稳定系数将小于1，放大电路将不能正常工作。

3 结论
    通过射频低噪声放大器的设计与仿真，可以看到使用ADS辅助设计电路，理论计算简单，设计过程快速，参数修改容易，验证方便，缩短了设计周期，提高了设计精度，在工程中具有实用价值。