利用ADS设计低噪声放大器

1、第28卷第11期武汉理工大学学报信息与管理工程版Vol.28No.11()文章编号:1007-144X(2006)11-0174-04利用ADS设计低噪声放大器许志兵(武汉理工大学信息工程学院,湖北武汉430070)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。关键词:低噪声放大器(LNA);ADS仿真器;标准微带线中图法

2、分类号:TN722.3文献标识码:A1低噪声放大器性能指标及设计步骤1.1低噪声放大器的性能指标入法,P1;再把,2。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24dB。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。Nf=Nf1+N-1G1+N-1G1G2+(3)频率范围:.:50;增益>10dB;2dB;稳定性:Un2conditional。1.2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AdvanceDesignSys2tem2005

3、A(ADS)软件进行设计、优化、仿真模拟。2低噪声放大器的主要技术指标2.1LNA的噪声系数和噪声温度放大器的噪声系数NF可定义如公式1:NF=S/NSout/Nout(1)式中,Nf为放大器整机噪声系数;Nf1、Nf2、Nf3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G表示。2.3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

4、系数。2.4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Nf给定时,输入信号功率允许最小值计算如公式(4):1,2式中,NF为微波部件的噪声系数;Sin、Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率;Sout、Nout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Te来表达。噪声温度Te与噪声系数NF的关系如公式(2):Te=T0(NF-1)(2)式中,T0为环境温度,通常取为293K。2.2LNA的功率增益、相关增益与增益平坦度功率增益

5、通常是指信源和负载都是50标准阻抗情况下实测的增益。实际测量时,常用插收稿日期:2006-09-15.作者简介:许志兵(1981-),男,江西湖口人,武汉理工大学信息工程学院硕士研究生.第28卷第11期许志兵:利用ADS设计低噪声放大器175Pmin=Nf(kT0fm)M(4)进行稳定性设计。式中,fm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293K。2.5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。

6、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。2.6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|1|<1,|2|<1)时,载阻抗如何,之,其负,而是有一定的范3围,否则放大器不能稳定工作。定义如公式(5)、(6)、(7):(5)suf1=1-S112-S12S21suf2=1-nec=S22S22224ADS仿真4.1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=2V,I

7、D=5mA。基本仿真原理图的各个元件放置如图1所示。基本仿真原理图1K=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-S12S21(6)定量B1>1。M1:Mu=Mu(S),Mu(S)函数返回负载的几何导出因子。Mu>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2.0GHz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。4.2增加输出稳定性电路在原图的基础上并联一个R

8、C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,C1=2.0pF。电路图如图2所示。1-S11-+S11S22-S12S212S12S21(7)放大器在S输入平面上绝对稳定的充分必要条件定义为公式(8):suf1>0(8)nec1>1放大器在L输入平面上绝对稳定的充分必要条件定义为公式(9):suf2>0(9)nec2>13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

9、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=2V,ID=5mA,f=2.0GHz时的S参数可得直流不是绝对稳定,需要图2增加输出稳定性电路原理图增加输出稳定性电路后仿真结果为,当晶体管频率在2GHz3GHz之间Mu>1,由此可知系统是绝对稳定的。武汉理工大学学报信息与管理工程版2006年11月1764.3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,S有个最佳值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

10、态偏离最佳时,LNA的噪声系数将增大。opt可以从器件的Datasheet文件中获得。SOPT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SOPT=0.32/29.4(幅度和角度)。至此,按照噪声系数最小原则设计的输入阻抗匹配完成了。4.5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50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。图6功率增益最大输出匹配电路原理图优化得L2=3.651nH,L4=

11、4.028nH。匹配结果如图7所示。由图可得:S(1,1)=2.412E-4/-38.789。图3最佳噪声系数匹配仿真电路原理图4.4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。图7功率增益最大输出匹配电路匹配结果图4噪声最小输入匹配电路原理图输入反射系数S1,1设置为SOPT的共轭,用来进行50匹配。最佳输入匹配系数由前面得到C1=1.73pF,L1=5.79nH。匹配结果如图5所示。由图5可得:S(1,1)=0.097E-4/4.374。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:16.917dB;噪声系数:1.649dB。图5噪声最小输入匹配电路匹配结

12、果图8交流等效电路仿真结果第28卷第11期许志兵:利用ADS设计低噪声放大器177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2GHz左右。参考文献:1黄智伟.无线发射与接收电路设计M.北京:航空航天大学出版社,2004.2戴逸松,张鸣,戴群亮.多级放大器噪声谱矩阵计算及在低噪声设计中应用J.通信学报,1998,19图9交流等效电路仿真结果(6):26-29.3杨春宝,张海云,白洁.航天GPS接收机的低噪声5结论由最后的仿真结果看到增益:16.917dB;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。这是因为在宽频放大器设计EB/OL.

13、2006-09-15.DesignofLowNoiseSAbstract:AtheLowNoiseAmplifier(LNA)byusingtheADSsimulatorisintroduced.ThemaintechnologyandperformanceindexesoftheLowNoiseAmplifieraredescribed.The2SC5507(NE661M04)tubeproducedbytheNECisused,thedesignoftheelectriccircuit,theoptimizationandtheADSsimulationareproceededbasedo

14、neachindexofthelownoiseamplifier.Theresultsofthelownoiseam2plifiermatchtheexpectedvalueoftheinitialperiod.Thelownoiseamplifiercircuitisdesignedsuccessfully.Keywords:LowNoiseAmplifier;ADSsimulator;standardmicrostripXuZhibing:Postgraduate;SchoolofInformationEngineering,WUT,Wuhan430070,China.编辑:李道文(上接第

15、173页)ExperimentalResearchoftheFBGStressSensorWenChenyang,HeWei,ZhangDongshengAbstract:ThesensingprincipleandthecharacteristicsofFiberBraggGrating(FBG)isrevieved,andanewFBGstresssensorisdesigned.Thefibergratingisgluedonthesideofcylinder,andtheforcesaredistributedonthetopsurfaceequally.Atthesametime,thedriftingoftheFBGcenterwavelengthisMonitored.Itisprovedbytheexperimentthattheresponsibility,linearityandrepeatabilityoftheFBGstresssensoraregood.Atlast,itshowthatthepressure-se