两种低噪声放大器设计方法

2011-06-06 17:27:49来源: 互联网

低噪声放大器( LN A)是射频收发机的一个重要组成部分, 它能有效提高接收机的接收灵敏度,进而提高收发机的传输距离。因此低噪声放大器的设计是否良好,关系到整个通信系统的通信质量。本文以晶体管ATF54143 为例,说明两种不同低噪声放大器的设计方法, 其频率范围为2~ 2. 2 GHz;晶体管工作电压为3 V;工作电流为40 mA; 输入输出阻抗为50Ω。

1 定性分析

1. 1 晶体管的建模

通过网络可以查阅晶体管生产厂商的相关资料, 可以下载厂商提供的该款晶体管模型,也可以根据实际需要下载该管的S2P 文件。本例采用直接将该管的S2P文件导入到软件中, 利用S 参数为模型设计电路。如果是第一次导入, 则可以利用模块SParams 进行S 参数仿真, 观察得到的S 参数与S2P 文件提供的数据是否相同, 同时, 测量晶体管的输入阻抗与对应的最小噪声系数,以及判断晶体管的稳定性等, 为下一步骤做好准备。

1. 2 晶体管的稳定性

对电路完成S 参数仿真后, 可以得到输入/ 输出端的mu 在频率2~ 2. 2 GHz 之间均小于1,根据射频相关理论,晶体管是不稳定的。通过在输出端并联一个10 Ω和5 pF 的电容, m2 和m3 的值均大于1, 如图1,图2 所示。晶体管实现了在带宽内条件稳定, 并且测得在2. 1 GHz 时的输入阻抗为16. 827- j16. 041。同时发现,由于在输出端加入了电阻, 使得Fmin由0. 48 增大到0. 573,Topt 为0. 329 ∠125. 99°, Zopt = ( 30. 007 +j17. 754) Ω 。其中, Topt 是最佳信源反射系数。

图1 利用模块SParams 进行仿真的电路原理

图2 输入/ 输出mu 与频率的关系

1. 3 制定方案

如图3 所示, 将可用增益圆族与噪声系数圆族画在同一个Ts 平面上。通过分析可知, 如果可用增益圆通过最佳噪声系数所在点的位置,并根据该点来进行输入端电路匹配的话, 此时对于LNA 而言, 噪声系数是最小的,但是其增益并没有达到最佳放大。因此它是通过牺牲可用增益来换取的 。在这种情况下, 该晶体管增益可以达到14 dB 左右, Fmin 大约为0. 48, 如图3 所示。

另一种方案是在可用增益和噪声系数之间取得平衡,以尽可能用小噪声匹配为目标,采用在兼顾增益前提下的设计方案。在这种情况下该晶体管增益大约为15 dB左右, Fmin大约为0. 7(见图3) 。这个就是本文中提到的第2 种方案。

图3 同一个Ts 平面上的可用增益圆族与噪声系数圆族。

2 以最佳噪声系数为设计目标方案的仿真

2. 1 输入匹配电路设计

对于低噪声放大器, 为了获得最小的噪声系数, Ts有个最佳Topt 系数值, 此时LNA 达到最小噪声系数,即达到最佳噪声匹配状态。当匹配状态偏离最佳位置时,LNA 的噪声系数将增大。前面定性分析中已经获得Topt= 0. 329∠125. 99°, 以及对应的Zopt = 30. 007 +j17. 754 Ω 。下面可以利用ADS 的Passive CIRcuit / MicorST rip Co nt ro lWindow 这个工具, 自动生成输入端口的匹配电路。

在原理图中添加一个DA_SSMatch1 的智能模块,然后修改其中的设置: F = 2. 1 GH z, Zin= 50Ω。值得注意的是, 利用该工具生成匹配电路时, Zload 是Zopt 的共轭。设置完毕后,再添加一个MSub 的控件,该控件主要用于描述基板的基本信息,修改其中的设置为H =0. 8 mm, Er = 4. 3,Mur = 1, CONd= 5. 88 × 107 ,H u =1. 0e+ 33 mm, T = 0. 03 mil。设置完后, 即可进行自动匹配电路的生成,结果电路如图4 所示。


图4 输入端口的匹配电路

将输入匹配电路添加到图1 后再进行S 参数的仿真。可以看到, 最佳噪声系数Topt 的位置由于输入匹配电路的加入而成功匹配到50Ω的位置。

2. 2 输出端匹配电路设计

根据最大功率增益原则进行输出端匹配电路的设计( 考虑到输出稳定电路的存在,对输出阻抗的影响,在进行输出阻抗测量时要把稳定电路计算在内) , 即将输出阻抗( Zout= 8. 055- j8. 980, 如图5 所示)使用上述的方法匹配到50 Ω 。得到的输出端匹配电路如图6所示。

图5 输出阻抗匹配

图6 输出端匹配电路

2. 3 仿真结果

观察最后的仿真结果可以看到, 增益为14. 4 dB;噪声系数为0. 586, 这与稳定后的晶体管最佳噪声系数0. 573非常接近,且增益平坦度低, 稳定性能优异。具体性能指标如图7 所示。

图7 原理图仿真数据

3 以噪声系数为主兼顾增益为设计目标方案的仿真

3. 1 输入匹配电路设计

如果选择基板材料为环氧玻璃FR4 基板, 介电常数为4. 3, 厚度为0. 8 mm, 则2. 1 GHz 时的晶体管输入阻抗为16. 827- j16. 041。采用上述匹配电路生成方法, 输入匹配电路采用A DS 设计向导中的单支节模块来设计。可以很快得到图8 中的匹配电路。如图9 所示, 图中m6 = 50( 0. 927+ j0. 001) 。与50Ω的非常接近,所以得出的输入端匹配情况比较合理。

图8 输入匹配电路

图9 加入输入匹配电路后的S 11 的smit h 原图

3. 2 输出匹配电路设计

在完成输入匹配电路设计之后, 可以对输出匹配电路进行设计。在此充分发挥CAD 软件的优势, 借助优化的方法来实现。基本过程如下:

将输入匹配电路的结果添加到图10 中,并在晶体管输出端添加如图所示的微带。调出优化控件, 并将优化的目标设置为dB ( S ) 11))为- 20, dB (S ( 22)) 为- 15。

在优化开始时, 先将T L1, T L2, TL3 宽度设置为61. 394 mil, 这是为了保障在考虑到板材、板材厚度等因素下微带线的特性阻抗为50 Ω。预设T L1, T L2,TL3 的长度, 优化一次后,刷新结果, 观察各种图表的指标是否更好, 数值是否达到设置的最大值, 如果达到最大值, 再次改变设置值重新优化。反复多次后,将会达到再次改变这几个数值, 若改变后对于各种指标作用不大,可以尝试改变电阻和输入匹配的数值再进行优化。

通过多次调试发现, R1 设为15Ω, 以及加上TL7后,增益和噪声系数以及输入输出驻波比效果更好。仿真电路原理图及优化控件和目标控件如图10 所示。

图10 仿真电路原理图及优化控件和目标控件

3. 3 仿真结果

观察最后的仿真结果可以看到, 增益为15. 816 dB;噪声系数为0. 708, 该指标均比定性分析时的都要好,其他性能指标如图11 所示。

图11 原理图仿真数据

4 结 语

通过对晶体管进行定性分析, 可以根据实际需要选择低噪声前置放大器的设计方案,第一种方案的最佳噪声系数是以牺牲增益而得到的;第二种方案是以提高噪声系数为代价,降低驻波比VSWR 的值得到的。2 种方法利用计算机辅助设计工具均可以快速实现,各有各自的存在价值, 这在很多场合都得到了应用。

关键字:低噪声放大器  灵敏度  ATF54143  晶体管

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0606/article_6059.html
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