基于ADS的射頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：應(yīng)用E-PHEMT器件ATF-58143設(shè)計(jì)了一款增益約20 dB，噪聲系數(shù)小于0．5 dB的低噪聲放大器。采用負(fù)反饋保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利用匹配網(wǎng)絡(luò)保證了低噪聲系數(shù)和高增益。結(jié)合該實(shí)例介紹了借助ADS軟件進(jìn)行低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法，給出設(shè)計(jì)步驟，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，對于LNA的研究與設(shè)計(jì)具有重要意義。
關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；ADS軟件；匹配

從天線接收的微弱信號由處于射頻接收機(jī)前端的放大器進(jìn)行放大，因此要求該放大器具有一定的增益和較小的噪聲系數(shù)。
本文借助Agilent公司的射頻電路設(shè)計(jì)軟件ADS(Advanced Design System)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)一款高增益低噪聲放大器(LNA)，并對其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 射頻放大器的組成
單級射頻放大器的組成如圖1所示，包括射頻晶體管放大電路和輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)三部分。

2 射頻放大器的設(shè)計(jì)
2．1 晶體管的選擇
選擇好晶體管器件對低噪聲放大器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
根據(jù)工作頻率、增益和噪聲系數(shù)等指標(biāo)要求，同時考慮到設(shè)計(jì)、仿真時便于得到相應(yīng)的元器件模型，最終選用Avago公司的高電子遷移率晶體管(E-PHEMT)ATF-58143來進(jìn)行設(shè)計(jì)(可以在Avago公司的網(wǎng)站上下載到ATF-58143的元件模型)。
2．2 偏置電路的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)LNA首先需要確定靜態(tài)工作點(diǎn)，利用ADS中的“DC_FET_T”的模板可以很方便地仿真出其輸出特性曲線。再參考ATF-58143的datash eet，可以確定當(dāng)Vds=3 V，Ids=35 mA時，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足要求。
確定靜態(tài)工作點(diǎn)后，就要確定偏置電路的形式和參數(shù)。不需人工計(jì)算，借助ADS中的設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ?DesignGuide→Amplifier→Tools→ Transistor Bias Utility)可以輕易完成。因?yàn)锳DS所提供的元件數(shù)值是非標(biāo)稱的，所以需要設(shè)計(jì)者用與ADS提供的數(shù)值接近的標(biāo)稱元件進(jìn)行替代。偏置電路及各點(diǎn)靜態(tài)參數(shù)如圖2所示。

2．3 穩(wěn)定性分析及改善
晶體管絕對穩(wěn)定的條件是K>1，|△|1。其中：

如果這兩個條件不能同時得到滿足，電路將存在潛在的不穩(wěn)定和振蕩的可能。對上述偏置條件下的晶體管進(jìn)行穩(wěn)定性仿真分析發(fā)現(xiàn)，在要求的工作頻段內(nèi)其穩(wěn)定系數(shù)K1，不滿足絕對穩(wěn)定的條件。
通過引入負(fù)反饋的方式可以改善電路的穩(wěn)定性，同時也能夠拓展工作帶寬。在輸出端和輸入端之間串聯(lián)RC電路引入負(fù)反饋，其中的R需要滿足條件：

同時在兩個源極加上小的電感引入負(fù)反饋進(jìn)一步改善穩(wěn)定性，該電感的值需反復(fù)調(diào)節(jié)后方能確定。
對引入負(fù)反饋后的電路再次仿真，其工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)K>1，滿足絕對穩(wěn)定條件。