宽频带低噪声放大器的设计

摘要 随着光纤通信、卫星通信向着宽频带方向发展，要求放大器的带宽也就越来越宽。文中设计了一种低噪声放大器，该放大器具有较低的噪声系数，同时工作频带较宽增益平坦度在工作频段内控制在约1dB，另外该低噪声放大器的输入输出匹配和稳定性良好。
关键词 低噪声放大器；宽频带；增益平坦度

    低噪声放大器在电路巾应用广泛，但是频带较宽的低噪声放大器增益却在频率高端常以6 dB／倍频程的速率下降，同时还考虑稳定性等诸多因素。因此宽频带低噪声放大器的设计较为复杂。文中采用负反馈式放大器结构利用ADS软件设计仿真了一副具有宽频带特性、增益较高，同时能够保证稳定性以及低噪声系数和低增益平坦度的放大器。该放大器可用于多系统卫星导航接收机的前端第一级使用。

1 低噪声放大器的设计指标
    给定放大器的设计指标如下：(1)工作频率1．1～1．6 GHz。(2)增益>15 dB。(3)增益平坦度，在频带内<1 dB。(3)驻波比，输入输出驻波比都<1．5。(4)噪声系数：频带内<1dB。
    文中设计的放大器是利用安捷伦公司的高电子迁移率晶体管(PHEMT)ATF54143管进行设计。在FET的漏极和栅极之间接入一个串联的RL反馈。这样调整电阻R以及电感L的值就可以改善输入输出匹配，并且通过牺牲低频增益改善稳定度。

2 未加负反馈的电路仿真设计
    厂家提供的ATF54143的资料中，噪声性能曲线如图1所示。

    图1是在Vds=3 V时，Ids分别为60 mA，40 mA以及80 mA时的最小噪声曲线。可以看出，在Ids=60 mA时，在1．0～2．0 GHz的范围内最小噪声都在0．4 dB以下，噪声性能优越。另外在Ids为40 mA以及80 mA时，最小噪声曲线与Ids=60 mA时的曲线基本一致，变化不大。
    表1为ATF54143在Vds=3 V，Ids=60 mA的S参数。

    利用式(1)和式(2)，当K>1时，三极管工作在稳定状态，反之若是K<1，则表示在相应的频段内，管子是较不稳定的。将表1中的有关S参数带入式(1)、式(2)就可以判断出管子在1．1～1．6 GHz频带内的稳定性。
   
    经过计算发现在1．0GHz时K=0．514在1．5GHz时K=0．703，所以经判定，管子在Vds=3 V，Ids=60mA的条件下，在1．0～1．5GHz频带内工作是不稳定的。这通过在源极添加小的电感来使得电路变得稳定。建立如图2的偏置电路，经过仿真调试，此时Vds=3.01V，Ids=60.4mA。

    在没有RL负反馈的情况，电路如图3所示。

    经过仿真，发现结果如图4所示。

    从仿真结果可以看出，在源极添加小电感后的电路是稳定的。K值在1．1～1．6 GHz范围内都>1，噪声系数良好。经过调试发现，L5对于电路的噪声性能影响较大，适当的调节可使电路的噪声系数达到最佳状态。但增益虽然较高，增益平坦度却很大，达到2．3dB。

3 RL负反馈对电路和输入输出匹配稳定性
    将低增益平坦度，在FET的漏极和栅极之间接入一个串联的RL反馈。同时利用ADS软件做好输入输出的匹配。反馈示意图如图5所示。

    如图5为更好的降低频带内增益平坦度，在电阻和电感之间加上一个接地的电容，发现效果更好，此电容的电容值较小，调试可得最佳值。
    输出端的匹配如图6所示。

    起初在电路的输入端添加了一个匹配网络，但在引入RL反馈之后，发现经过调试输出端与反馈链路的元器件值，可将输入端的匹配网络省略，因此输入端未加匹配结构，但最终也不失配。

    从图7可以明显的看出，在引入RL反馈之后，同时调整其他电阻电容以及电感值，发现电路依然稳定，输入输出端的驻波比最终在1．5 GHz以下，达到了匹配目的。噪声系数nf(2)与之前相比有所增加，但总体上是低于0．6 GHz，也是符合要求的。放大器的增益虽然由于引入负反馈有所降低，但是在1．1～1．6 GHz频带内也>15 dB。同时，最重要的是增益平坦度降到了1 dB之内，同时达到了要求。

4 结束语
    通过以上的仿真设计发现，反馈在电路中的作用举足轻重，适当引入负反馈牺牲增益来提高电路的其他性能是可取的。设计的低噪声放大器频率覆盖美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的伽利略以及我国的北斗导航系统，因此可用在多模卫星导航接收机的前端来使用。但以上仿真未加工成实物，还有待于实际的测试检验。另外电路里的电感电容值较小的元器件，由于实际的电感电容较难达到，所以在电路中不应采用分立结构的实际电感，最好选择感性或者容性的微带结构来代替，以提高电路的整体可靠性。