射频低噪声放大器ADS设计_孟林.pdfVIP

射频低噪声放大器的ADS 设计 孟林，杨勇，牛磊，邓龙江 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都（610054 ） 摘 要：本文首先简要介绍了低噪声放大器设计的理论基础，并以2.1 －2.4Ghz 低噪声放大 器为例，详细阐述了如何利用Agilent 公司的ADS 软件进行分析和优化设计该电路的过程， 仿真结果完全满足设计指标，最后对微波电路的容差特性进行了模拟分析，对于S 波段低噪 声放大器的设计研究有着重要的参考价值。 关键词：低噪声放大器，匹配，仿真，优化 1. 前言 低噪声微波放大器（LNA ）已广泛应用于微波通信、GPS 接收机、遥感遥控、雷达、 电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要 电路。低噪声放大器位于射频接收系统的前端，其主要功能是将来自天线的低电压信号进行 小信号放大。前级放大器的噪声系数对整个微波系统的噪声影响最大，它的增益将决定对后 级电路的噪声抑制程度，它的线性度将对整个系统的线性度和共模噪声抑制比产生重要影 响。对低噪声放大器的基本要求是：噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定性好、足够的 带宽和大的动态范围。 Advanced Design System(ADS)软件是Agilent 公司在HPEESOF 系列EDA 软件基础上发展 完善的大型综合设计软件，它功能强大，能够提供各种射频微波电路的仿真和优化设计，广 泛应用于通信、航天等领域，是射频工程师的得力助手。本文着重介绍如何使用 ADS 进行 低噪声放大器的仿真与优化设计。 2. 低噪声放大器特点及指标 LNA 是射频接收机前端的主要部分，它主要有四个特点。首先，它位于接收机的最前 端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定 的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在 工作频段内应该是稳定的。其次，它所接受的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一 个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接受信号的同时 又可能伴随许多强干扰信号输入，因此要求放大器有足够的线型范围，而且增益最好是可调 节的。第三，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连，放大器的输入 端必须和他们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并保证滤波器的性能。 第四，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频带放大器【1】。 2.1 工作频率与带宽 放大器所能允许的工作频率与晶体管的特征频率 fT 有关，由晶体管小信号模型可知， 减小偏置电流的结果是晶体管的特征频率降低。在集成电路中，增大晶体管的面积使极间电 容增加也降低了特性频率。 LNA 的带宽不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪声 要满足要求，并给出各频点的噪声系数。 动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放大器非线性 -1- 特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。 2.2 噪声系数 在电路某一特定点上的信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，简称信噪比，用符 号 Ps/Pn(或 S/N)表示。放大器噪声系数是指放大器输入端信号噪声功率比 Psi/Pni 与输出端 信号噪声功率比 Pso/Pno 得比值。 噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏； 信噪比下降的倍数就是噪声系数。影响放大器噪声系数的因素有很多，除了选用性能优良的 元器件外，电路的拓扑结构是否合理也是非常重要的。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有 关，而与负载阻抗无关。当一个晶体管的源端所接的信号源的阻抗等于它所要求的最佳信号 源阻抗时，由该晶体管构成的放大器的噪声系数最小。实际应用中放大器的噪声系数 可以表示为 2