一種超寬帶低噪聲放大器的仿真設(shè)計(jì)*

吳治霖

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

寬帶低噪聲放大器（LNA）已廣泛應(yīng)用于寬帶微波通信、北斗接收機(jī)、雷達(dá)探測、電子對抗及各種微波射頻信號測試系統(tǒng)中，主要作用是將天線感知的微弱無線電信號放大，減小放大器引入的噪聲。

接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度[1]可表示為：

其中，B為選頻帶寬，NF為噪聲系數(shù)，SNR為信噪比。從式（1）可看出，同一環(huán)境下的接收機(jī)，其靈敏度主要由帶寬和噪聲系數(shù)決定。

本文將利用Microwave office工作，仿真設(shè)計(jì)一款寬帶低噪聲放大器，指標(biāo)如下：

頻率范圍：0.2～2 GHz；

增益：≥30 dB；

平坦度：±1 dB；

噪聲系數(shù)：≤1.5 dB;

駐波系數(shù)：≤2。

1 方案設(shè)計(jì)與分析

通過查閱資料，放大器要實(shí)現(xiàn)不低于30 dB增益的放大器，至少需要兩級放大，基本模型如圖1所示。

圖1 放大器結(jié)構(gòu)

級聯(lián)增益為：

級聯(lián)噪聲系數(shù)[2]為：

式（2）、式（3）中，分別為第一級放大器的增益和噪聲系數(shù)；為第二級放大器的增益和噪聲系數(shù)；根據(jù)整體噪聲系數(shù)的計(jì)算公式，第一級放大器的噪聲系數(shù)和增益對整個低噪聲放大器的噪聲系數(shù)具有至關(guān)重要的作用。

本文設(shè)計(jì)中，頻率覆蓋0.2～2 GHz，約為3倍頻程，需要考慮放大器在頻率范圍內(nèi)的增益平坦度。但是，晶體管隨著工作頻率的增加，增益會按照6 dB/倍頻程的速度滾降[3]。只有通過選擇應(yīng)用匹配或者失配，使增益在頻率1f到2f之間平坦，以滿足頻率范圍內(nèi)增益平坦度和噪聲一致性的要求，如圖2所示。

圖2 增益與頻率的關(guān)系

本文設(shè)計(jì)中，選取ATF-55143、Gali-55分別作為第一級、第二級放大器；通過查閱Gali-55的器件資料，其噪聲系數(shù)和增益的最小值分別為3.2 dB和16 dB。因此，據(jù)式（2）和式（3），第一級放大器的增益和噪聲系數(shù)的需滿足如下指標(biāo)：1NF≤1.5 dB，1G≥15 dB。而ATF-55143在頻率范圍內(nèi)具有大于15 dB的典型增益值，因此在仿真中著重考慮第一級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)。

1.1 電壓電流偏置設(shè)計(jì)

晶體管偏置電路是放大器工作的基礎(chǔ)，對于偏置電路的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮噪聲、對自激的抑制、電源供電和阻抗匹配等因素。合理的直流工作點(diǎn)與匹配設(shè)計(jì)是充分發(fā)揮微波晶體管微波性能的兩個重要因素。靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇，需依據(jù)所設(shè)計(jì)的放大器要達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)[4]。

圖3中，A點(diǎn)適用于低噪聲、高增益的放大器設(shè)計(jì)，B點(diǎn)一般用于高功率的放大器設(shè)計(jì)，C點(diǎn)常見于高輸出功率、高效率的放大器設(shè)計(jì)；D點(diǎn)的靜態(tài)工作點(diǎn)電流小，常見于低噪聲、低功率的設(shè)計(jì)應(yīng)用。本文即偏置于D點(diǎn)。

圖3 靜態(tài)工作點(diǎn)

ATF-55143的偏置電路圖如圖4所示。

圖4 偏置電路

利用ADS的靜態(tài)電流掃描工具，將ATF-55143偏置于Vds=2.7 V、Vgs=-0.4 V、Ids=11 mA，以期取得增益與噪聲系數(shù)的平衡。

根據(jù)芯片資料介紹，Gali-55+在帶內(nèi)具有高增益和高平坦度，芯片可偏置于Vcc=5 V，工作電流為50 mA，電路如圖5所示。

圖5 末級放大器偏置電路

1.2 平坦度設(shè)計(jì)

為降低晶體管增益隨頻率增加滾降的特性，設(shè)計(jì)中將采取相應(yīng)補(bǔ)償。常見的設(shè)計(jì)有分布式、平衡式、失配補(bǔ)償和負(fù)反饋四種[5]。為利用有效空間，減小電路尺寸，本文采用負(fù)反饋電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)晶體管工作頻率的擴(kuò)展，以提高增益的平坦度。基本電路模型如圖6所示。

圖6 負(fù)反饋電路模型

負(fù)反饋電路的基本原理是用RLC電路將柵極和漏極連接，輸入、輸出阻抗迅速接近50 Ω，改善了放大器的穩(wěn)定度[5]。由于Rf的影響，放大器的帶寬得到有效擴(kuò)展，增益的平坦度有較大提高。

根據(jù)反饋電阻計(jì)算公式，設(shè)定反饋初始值為Rf=430 Ω，根據(jù)2πf×Lf=Rf，計(jì)算Lf的初值為3.3 nH。建立第一級放大器的負(fù)反饋環(huán)路，如圖7所示。

圖7 反饋網(wǎng)絡(luò)初始值

1.3 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是放大器性能指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的前提。只有在保證穩(wěn)定工作的條件下，性能指標(biāo)才有好壞的意義。通常情況下，電路的不穩(wěn)定表現(xiàn)為放大器的自激，噪聲顯著增加，甚至燒毀器件。因此，在設(shè)計(jì)放大器時，需充分考慮偏置條件下器件的穩(wěn)定性。

判斷條件[6-7]為：

其中K為穩(wěn)定性因子，S11為輸入端口的反射，為輸出端口反射為輸入輸出端口間的隔離，為器件增益。當(dāng) K ＞ 1 時，該低噪聲放大器絕對穩(wěn)定。

器件在偏置條件下的穩(wěn)定性仿真，如圖8所示。

圖8 器件穩(wěn)定性

由圖8可見，該器件在頻帶范圍內(nèi)處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)計(jì)中，一方面采取負(fù)反饋電路電路結(jié)構(gòu)，另一方面將ATF-55143接地管腳通過接地孔產(chǎn)生電感效應(yīng)，降低放大的增益，提高工作的穩(wěn)定性。

經(jīng)仿真優(yōu)化反饋回路中11S 的值及SL的長、寬及過孔的直徑，穩(wěn)定性改善結(jié)果如圖9所示。

圖9 采取措施后器件穩(wěn)定性

通過對比圖8、圖9，采用負(fù)反饋等措施后，器件的穩(wěn)定性顯著提高，RLC及SL參數(shù)將在放大器的仿真中進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了增益、噪聲系數(shù)及穩(wěn)定性的平衡。

1.4 第一級放大器仿真與結(jié)果

ATF-55143具有頻率低端增益高、高端增益低的特點(diǎn)。為減輕增益滾降對平坦度的影響，選擇頻率高端進(jìn)行匹配。第一級放大器的仿真電路，如圖10所示。

圖10 第一級放大器的電路

經(jīng)優(yōu)化，輸入、輸出端口的駐波系數(shù)仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 第一級放大器的端口駐波系數(shù)

圖11中虛線為輸出端口的駐波系數(shù)，實(shí)線為輸入端口的駐波系數(shù)。在設(shè)計(jì)的工作頻率范圍內(nèi)，駐波系數(shù)小于1.8，實(shí)現(xiàn)了較為良好的匹配。

圖12中，粗虛線代表未采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的增益曲線，細(xì)虛線代表采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的增益曲線?？梢姡捎秘?fù)反饋電路后，實(shí)現(xiàn)了在0.1～3 GHz范圍內(nèi)小于±0.5 dB的增益平坦度，為整個放大器的增益平坦度實(shí)現(xiàn)提供了可靠保證。

圖12 第一級放大器的增益

圖13反映了采用負(fù)反饋電路前后噪聲系數(shù)的變化。其中，粗虛線代表未采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的噪聲系數(shù)變化曲線，細(xì)虛線代表采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的噪聲系數(shù)變化曲邊。采用負(fù)反饋電路后，噪聲系數(shù)在頻率低端顯著增加，但仍小于設(shè)計(jì)的數(shù)值。

據(jù)圖11、圖12、圖13的仿真結(jié)果來看，第一級放大器實(shí)現(xiàn)了既定的增益和噪聲系數(shù)目標(biāo)，為整個低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

圖13 第一級放大器的噪聲系數(shù)

2 整體仿真與結(jié)果

整體仿真中，將主要建立增益、噪聲系數(shù)及端口反射系數(shù)的平衡。末級放大器主要為放大器整體提供足夠的增益，然后結(jié)合Mini-circuits提供的S2P文件，實(shí)現(xiàn)電路仿真。

由于放大器的工作頻率范圍較寬且頻率較高，電感、電阻和電容等器件的寄生參數(shù)，將造成放大器的仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有很大差異。為此，在仿真中主要采取以下措施：

（1）選取高Q的集中參數(shù)元器件，如coilcraft、ATC等；

（2）仿真中加入器件的寄生量；

（3）選取低介電常數(shù)的PCB基板如Rogers4350系列，并在基板表面噴金，以更好地接地。

經(jīng)多次優(yōu)化負(fù)反饋回路、增加電路中阻容器件的寄生參數(shù)，最終的仿真結(jié)果如圖14所示。

依據(jù)圖14的仿真結(jié)果，在0.2～2 GHz范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)低于1.1 dB，增益大于30 dB，平坦度小于±1 dB，輸入端口駐波系數(shù)小于2。

（a）噪聲系數(shù)仿真結(jié)果

圖14 放大器仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

從仿真結(jié)果來看，本次設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。下一步將根據(jù)仿真結(jié)果開展產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)工作，并盡可能將工作頻率擴(kuò)展的更寬，且保持較低的噪聲系數(shù)、較高的增益和平坦度。

[1] 張玉興.射頻模擬電路[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002:289.ZHANGYu-xing.The RF and Analog Circuit[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2002:289.

[2] Ulrich L R,David P N.無線應(yīng)用射頻微波電路設(shè)計(jì)[M].劉光鈷,張玉興譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004:324-326.Ulrich L R,David P N.Application of Wireless RFMicrowave Circuit Design[M].LIUGuang-gu,ZHANGYuxing,Translation.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2004:324-326.

[3] “中國集成電路大全”編委會.微波集成電路[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995:173.The Editorial Committee"Integrated Circuit Of China".Microwave Integrated Circuit[M].Beijing:National Defense Industry Press,1995:173.

[4] LangeJ.InterdigitedStripline Quadrature Hybrid[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.Dec,1969(17):1150-1151.

[5] 潘少祠.2.4GHz低噪聲放大器的研究[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報,2005,25(03):56-59.PANShao-ci.The Study of the 2.4GHz LNA[J].Hangzhou:Journal of HangzhouDianzi University,2005,25(03):56-59.

[6] RobertsonID,LucyszynS.RFIC and MMIC Design and Technology[M].London:Institution ofElectrical Engineers,2001:220-260.

[7] LI Z,WANG Z,ZHANG M,et al.A 2.4GHz Ultra-Low-Power Current-Reuse CG-LNA With Active,Boosting Technique[J].IEEE Microwave&Wireless Components Letters,2014,24(05):348-350.