利用ADS设计低噪声放大器

 

摘要: 介绍了一种利用ADS仿真器设计低噪声放大器的方法。先总体阐述了低噪声放大器的主要技术和性能指标,然后在采用NEC的2SC5507 (NE661M04)管的基础上,依据低噪声放大器的各项指标来同步进行电路的设计、优化和ADS仿真,最后使得低噪声放大器的设计结果达到设计初期的期望值,并成功地完成了低噪声放大器的电路设计。

 

低噪声放大器性能指标及设计步骤

低噪声放大器的性能指标

频率范围: 2. 0 ～2. 25 GHz;信号源阻抗: 50Ω;增益> 10 dB;噪声系数< 2 dB;稳定性: Unconditional。

设计步骤

放大器级数(选择一级) ;晶体管选择;电路拓扑结构;电路初步设计;用Advance Design System 2005A (ADS)软件进行设计、优化、仿真模拟。

低噪声放大器的主要技术指标

LNA的噪声系数和噪声温度

放大器的噪声系数N_F 可定义如公式1:

式中, N_F 为微波部件的噪声系数; S_in、N _in分别为输入端的信号功率和噪声功率; S_out、N_out分别为输出端的信号功率和噪声功率。通常,噪声系数用分贝数表示。此时放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度T_e来表达。

噪声温度T_e与噪声系数N_F 的关系如公式(2) :

式中, T₀ 为环境温度,通常取为293 K。

LNA的功率增益、相关增益与增益平坦度

功率增益通常是指信源和负载都是50Ω 标准阻抗情况下实测的增益。实际测量时,常用插入法,即用功率计先测信源给出的功率P₁ ; 再把放大器接到信源上, 用同一功率计测放大器输出功率P₂。功率增益(G)等于P₂除以P₁。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。噪声最佳匹配点并非最大增益点,通常,相关增益比最大增益大概低2～4 dB。功率增益的大小还会影响整机噪声系数。公式3给出简化的多级放大器噪声系数表达式。

式中,N_f 为放大器整机噪声系数; N_f1、N_f2、N_f3分别为第1、2、3级的噪声系数; G₁、G₂分别为第1、2级功率增益。

当增益G₁和G₂足够大的时候,整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。因此多级放大器第一级噪声系数大小起决定作用。增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏, 常用最高增益与最小增益之差,即ΔG表示。

工作频带

工作频带不但是指功率增益满足平坦度要求的频带范围,而且还要在全频带内使噪声满足要求,并给出各频点的噪声系数。

动态范围

动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的上限受非线性指标限制。动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数N_f给定时,输入信号功率允许最小值计算如公式(4) :

式中,Δf_m 为微波系统的通频带;M 为微波系统允许的信号噪声比, 或信号识别系数; T₀ 为环境温度293 K。

端口驻波比

低噪声放大器的输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的,其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态。此外,由于微波场效应晶体管或双极性晶体管,其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB规律随频率升高而下降。为了获得工作频带内平坦增益特性,在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下,只能采用低频段失配的方法来压低增益,以保持带内增益平坦。因此,端口驻波比必然是随着频率降低而升高。

稳定性

当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1 (即| Г₁ | < 1, | Г₂ | < 1)时,不论源阻抗和负载阻抗如何,网络都是稳定的,称为绝对稳定;反之,则称为相对稳定。对条件稳定的放大器,其负载阻抗和源阻抗不能任意选择,而是有一定的范围,否则放大器不能稳定工作 。定义如公式(5) 、(6) 、(7) :

放大器在Г_S 输入平面上绝对稳定的充分必要条件定义为公式(8) :

放大器在ГL 输入平面上绝对稳定的充分必要条件定义为公式(9) :

晶体管选择

采用了NEC的2SC5507 (NE661M04) ,它具有频率高、噪声低和低温性能好等优点。2SC5507 的Datasheet提供了宽频段的S 参数,ADS设置中也选用S 参数模型,因此用S 参数模型比较精确。选好器件以后可以先利用S参数来判断它的稳定性。由VDS = 2 V, ID = 5 mA, f = 2.0 GHz时的S 参数可得直流不是绝对稳定,需要进行稳定性设计。

ADS仿真

基本原理

为了使晶体管工作在放大区,需确定静态直流工作点。由2SC5507 的Datasheet可以得到:VDS = 2 V, ID = 5 mA。基本仿真原理图的各个元件放置如图1所示。

K₁ : K = stab_fact ( S) , stab_fact ( S)函数返回Rolette稳定因子。K > 1时电路绝对稳定,此时稳定量B₁ > 1。

M₁ :M_u = M_u ( S ) ,M_u ( S )函数返回负载的几何导出因子。M_u > 1时电路绝对稳定。B₁ : B₁ =stab_meas ( S) , stab _meas ( S) 函数返回稳定量。由仿真结果可见2. 0 GHz以上频率的Mu 没有满足都大于1,在未增加输出稳定性电路前,晶体管输出是不稳定的,因此需要对其进行稳定性设计,增加输出稳定性电路。

增加输出稳定性电路

在原图的基础上并联一个RC串联电路,也可以添加LC或RL电路,具体可以和输出匹配电路同时考虑来设计。这里R₁ = 50 Ω, C₁ = 2. 0pF。电路图如图2所示。

增加输出稳定性电路后仿真结果为,当晶体管频率在2 GHz～3 GHz之间M_u > 1,由此可知系统是绝对稳定的。

最佳噪声匹配

对于LNA,如果输入口有一定的失配,反而可以调整器件内部各种噪声之间的相位关系,从而降低噪声系数。为了获得最小的噪声系数, Г_S有个最佳值Г_opt ,此时LNA达到最小噪声系数,即达到最佳噪声匹配状态。其中Г_opt是最佳信源反射系数(微波晶体管等效噪声参数) 。当匹配状态偏离最佳时,LNA的噪声系数将增大。Г_opt可以从器件的Datasheet文件中获得。S_OPT为最小噪声的最优匹配系数。利用这个最优系数可以进行输入匹配电路的设计。噪声系数仿真电路如图3所示。

由匹配结果得S_OPT = 0. 32 /29. 4 (幅度和角度) 。

根据噪声最小设计输入匹配电路

输入匹配电路设计如图4所示。

输入反射系数S [1, 1 ]设置为S_OPT的共轭,用来进行50Ω匹配。最佳输入匹配系数由前面得到C₁ = 1. 73 pF, L₁ = 5. 79 nH。匹配结果如图5所示。由图5可得: S (1, 1) = 0. 097E - 4 /4. 374。

至此,按照噪声系数最小原则设计的输入阻抗匹配完成了。

根据功率增益最大设计输出匹配电路

根据最大功率增益原则设计输出匹配电路,就是将输出端进行50Ω 匹配。考虑到输出稳定性电路的存在对输出阻抗的影响,输出匹配电路的形式有点不同。与输入阻抗匹配方法一样设计输出匹配电路。电路图如图6所示。

优化得L₂ = 3. 651 nH, L₄ = 4. 028 nH。匹配结果如图7所示。由图可得: S (1, 1) =2. 412E - 4 / - 38. 789。

至此,输入输出匹配电路完成。仿真结果如图8、图9所示。由此可得增益:16. 917 dB;噪声系数: 1. 649 dB。

结论

由最后的仿真结果看到增益: 16. 917 dB;噪声系数: 1. 649。其结果均符合设计初的性能指标,但工作频段较小,这也正常。这是因为在宽频带情况下难于获得极低噪音,所以低噪声放大器的工作频带一般不大宽,较多为2 GHz左右。