低噪聲放大器的兩種設計方法

低噪聲放大器(LNA)是射頻收發(fā)機的一個(gè)重要組成部分，它能有效提高接收機的接收靈敏度，進(jìn)而提高收發(fā)機的傳輸距離。因此低噪聲放大器的設計是否良好，關(guān)系到整個(gè)通信系統的通信質(zhì)量。本文以晶體管ATF-54143為例，說(shuō)明兩種不同低噪聲放大器的設計方法，其頻率范圍為2～2．2 GHz；晶體管工作電壓為3 V；工作電流為40 mA；輸入輸出阻抗為50 Ω。

1 定性分析
1．1 晶體管的建模
通過(guò)網(wǎng)絡(luò )可以查閱晶體管生產(chǎn)廠(chǎng)商的相關(guān)資料，可以下載廠(chǎng)商提供的該款晶體管模型，也可以根據實(shí)際需要下載該管的S2P文件。本例采用直接將該管的S2P文件導入到軟件中，利用S參數為模型設計電路。如果是第一次導入，則可以利用模塊S-Params進(jìn)行S參數仿真，觀(guān)察得到的S參數與S2P文件提供的數據是否相同，同時(shí)，測量晶體管的輸入阻抗與對應的最小噪聲系數，以及判斷晶體管的穩定性等，為下一步驟做好準備。
1．2 晶體管的穩定性
對電路完成S參數仿真后，可以得到輸入／輸出端的mu在頻率2～2．2 GHz之間均小于1，根據射頻相關(guān)理論，晶體管是不穩定的。通過(guò)在輸出端并聯(lián)一個(gè)10 Ω和5 pF的電容，m2和m3的值均大于1，如圖1，圖2所示。晶體管實(shí)現了在帶寬內條件穩定，并且測得在2．1 GHz時(shí)的輸入阻抗為16．827-j16．041。同時(shí)發(fā)現，由于在輸出端加入了電阻，使得Fmin由0．48增大到0．573，Γopt為0．329∠125．99°，Zopt=(30．007+j17．754)Ω。其中，Γopt是最佳信源反射系數。

1．3 制定方案
如圖3所示，將可用增益圓族與噪聲系數圓族畫(huà)在同一個(gè)Γs平面上。通過(guò)分析可知，如果可用增益圓通過(guò)最佳噪聲系數所在點(diǎn)的位置，并根據該點(diǎn)來(lái)進(jìn)行輸入端電路匹配的話(huà)，此時(shí)對于LNA而言，噪聲系數是最小的，但是其增益并沒(méi)有達到最佳放大。因此它是通過(guò)犧牲可用增益來(lái)?yè)Q取的。在這種情況下，該晶體管增益可以達到14 dB左右，Fmin大約為0．48，如圖3所示。

另一種方案是在可用增益和噪聲系數之間取得平衡，以盡可能用小噪聲匹配為目標，采用在兼顧增益前提下的設計方案。在這種情況下該晶體管增益大約為15 dB左右，Fmin大約為0．7(見(jiàn)圖3)。這個(gè)就是本文中提到的第2種方案。

2 以最佳噪聲系數為設計目標方案的仿真
2．1 輸入匹配電路設計
對于低噪聲放大器，為了獲得最小的噪聲系數，Γs有個(gè)最佳Γopt系數值，此時(shí)LNA達到最小噪聲系數，即達到最佳噪聲匹配狀態(tài)。當匹配狀態(tài)偏離最佳位置時(shí)，LNA的噪聲系數將增大。前面定性分析中已經(jīng)獲得Γopt=0．329∠125．99°，以及對應的Zopt=30．007+j17．754 Ω。下面可以利用ADS的Passive Circuit／Micorstrip ControlWindow這個(gè)工具，自動(dòng)生成輸入端口的匹配電路。
在原理圖中添加一個(gè)DA_SSMatehl的智能模塊，然后修改其中的設置：F=2．1 GHz，Zin=50 Ω。值得注意的是，利用該工具生成匹配電路時(shí)，Zload是Zopt的共軛。設置完畢后，再添加一個(gè)MSub的控件，該控件主要用于描述基板的基本信息，修改其中的設置為H=0．8 mm，Er=4．3，Mur=1，Cond=5．88×107，Hu=1．0e+33 mm，T=0．03 mil。設置完后，即可進(jìn)行自動(dòng)匹配電路的生成，結果電路如圖4所示。