基于ADS仿真的宽带低噪声放大器设计

刘丽静,张立哲

(1.西安电子科技大学,陕西西安710071;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

随着通信技术的飞速发展,要求射频系统有更宽的频带、更高的灵敏度,对部件高性能、小型化、模块化、高可靠等方面的要求越来越迫切。作为高灵敏度接收机的关键部件,低噪声放大器(LNA)主要作用是放大天线接收到的微弱信号,降低噪声干扰。更低的噪声系数、更高的增益、足够宽的工作频带和良好的增益平坦度,已成为LNA设计中越来越严格的指标。在设计过程中,需要大量的理论计算和史密斯圆图分析,给设计带来困难。利用ADS软件仿真,可得到事半功倍的效果。通过ADS辅助软件,结合设计理论,仿真设计宽带LNA。此LNA在200～800MHz频段内噪声系数NF≤1.0 dB,增益G≥35 dB。

1 设计思路

要设计一个性能优良的宽带LNA,除了选择合适的器件外,还要设计出良好的电路形式以及合适的工作点等,充分发挥器件的潜在能力,再经过精心调试,方能得到满意得结果。

1.1 器件的选择

因为此放大器所工作的频段不高,所以选用晶体管即可。为满足设计指标中的功率增益,采用了三级级联的方式设计。三级级联放大器噪声系数为:

从式(1)可以看出,如果第1级放大器的噪声系数F1和第2级放大器的噪声系数F2大,则总的噪声系数大;当F1和F2为定值时,第1级放大器的功率增益G1增大,则总噪声系数F减小。这是因为当G1大时,信源内阻热噪声和第1级的内部噪声在全部输出噪声中所占比重增加,相对来说,第2级的内部噪声的作用就减小了。要降低LNA的噪声系数,主要是降低前级电路的噪声系数;为降低后续电路的噪声系数对整个LNA噪声的影响,前级放大器需要提供适当的增益。因此,前两级选用微波低噪声射频硅晶体管2SC3356。

考虑到LNA用于接收机前端,接收信号一般有几十分贝的动态范围。选择第3级放大器要考虑LNA的动态范围应大于接收信号的动态范围。所以第3级放大器选择ERA-6sm,其1 dB压缩点(P-1)达18 dBm,且为SMT封装,体积小、成本低。

1.2 电路设计

设计LNA时,其增益、噪声系数、稳定性和宽带作为主要指标考虑。设计一开始就抓住噪声系数这个核心指标来进行分析、计算并设计电路。采用共发射极电路。因为共发射极电路最佳噪声系数的源阻抗与输入阻抗比较接近,可获得最佳噪声系数和较好的输入电压驻波比,输入电路接近匹配状态,功率增益较大。

设计宽带放大器的主要障碍受到有源器件增益—带宽积的制约;任何有源器件的增益在高端都具有逐渐下降的特征。所以设计宽带LNA就必须采取补偿措施。人们提出了2种解决办法:频率补偿匹配网络和负反馈电路。频率补偿匹配网络在器件的输入或输出端口引入失配,用于补偿由于S参量随频率变化产生的影响。这种匹配网络的主要问题在于,其设计相当困难,而且设计过程几乎是靠经验而不是依据能够保证成功的完善工程设计方法。利用负反馈方法可以得到平坦的增益响应并可在宽频带内降低输入输出电压驻波比。负反馈方案的另外一个优点是,它可以降低晶体管参数的离散性对放大器特性的影响。虽然负反馈放大器各个特性的改良是以略微增加了噪声和限制晶体管的最大功率增益为代价,但这种电路形式是不失为综合效果最优的方法。

电路原理图如图1所示。第1级与第2级采用直流耦合以减小损耗,降低噪声系数。

图1 电路原理及拓扑结构

2 LNA的仿真

ADS软件是当前射频和微波电路设计的首选工程软件。该软件涵盖了小至元器件,大到系统级的设计和分析;尤其是其强大的仿真设计手段可在时域或频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真分析与优化,并可对设计结果进行成品率分析与优化,从而大大提高了复杂电路的设计效率,使之成为设计人员的有效工具。

2.1 初值的确定

微波电路优化软件具有一定的使用条件,优化算法存在收敛域和收敛速度等问题。所以优化的目的是在一定范围内,通过仿真软件优化,改善微波电路的性能,找到满足工程需要的可行解。如果让优化软件在较大范围内搜索,将花费较多的计算时间。如果给定的初值离最优值比较远也要花费较多的时间或落入局部最优点。因此,优化的初值的选取对于设计的成功有着重要的意义。

对电路进行透彻分析后,可计算出元件初值。由图1可知,R4、R5、R6构成直流负反馈电路,R5起到了调整第1级与第2级放大器的直流工作点的作用。调整R5的值,可使放大器的噪声系数NF最小。为避免交流反馈影响增益,用L1、C2阻止交流反馈。另外,L1还用于输入电路的阻抗匹配。

第2级放大器中R3起到了交流负反馈的作用。R3不宜过大,如果过大,会因为负反馈太强而使增益损失过大,而且深度负反馈可能引起放大器工作的不稳定,即产生自激振荡。旁路电容C3与R4并联,避免交流负反馈造成增益损失。

通过器件资料和实验方法得知当N1的集电极电流IC1=6.5 mA时,N1噪声系数最小,所以取IC1=6.5 mA,UCE1=6.4 V。第2级主要考虑增益尽可能高,兼顾噪声系数,还要考虑到放大器的线性,选择第2级放大器的IC2=40 mA,UCE2=4 V。第3极放大器工作电流为70 mA,集电极电压约5 V。经计算得出元件值:

由于放大器工作频段在UHF范围内,电路分布参数影响较小,对印制板材料要求也不是很高,可以采用集中参数设计。

2.2 优化设计

优化前需要依据技术要求设置优化目标。一般情况下,优化目标设置的比实际指标严格一些。因为软件仿真时只是理想模型,而实际电路复杂得多,会有一些仿真中没有考虑的因素。设计过程比较复杂,要同时兼顾增益、噪声系数、稳定性和输入输出驻波比等,因此进行电路优化时,需要注意合理设置各项优化指标,使放大器综合性能最优。

关于优化变量的选择,可以充分利用软件的调谐功能,选择其中几个变量进行试探,观察各变量对指标曲线的影响情况。

在软件优化方法中,最常见的是梯度法与随机法。比较合理的方式是充分发挥2种优化方法的优点。先采用随机法进行大范围的搜索,然后运用梯度法,寻找局部最优点,之后重复使用随机法,再采用梯度法……根据优化结果,结合设计指标,反复调整优化方法、优化目标中的权重,通过对带内放大器增益的限制来满足增益平坦度指标,最终得到最佳效果。

最后,根据所用元件误差和工艺误差对电路进行成品率分析和进一步优化,使成品率达到一定水平。优化得到的各元件值与理论计算结果接近。优化后的仿真结果如图2和图3所示。由仿真结果可知,稳定性因子(StabFact1即K值)大于1,稳定性度量(StabMeas1即B值)大于0。因此,LNA电路是绝对稳定的。

从图2和图3可以看出,优化后的仿真结果满足设计指标要求。

图2 增益、噪声系数仿真结果

图3 回波损耗、稳定性仿真结果

2.3 结构和工艺

结合电路设计结果进行结构设计时,务必使结构紧凑合理。将LNA制作在25 mm×15 mm聚四氟乙烯双面敷铜板上,制作工艺成熟稳定,重复性好,所选器件小且便于表面贴装。器件焊接在一面,另一面紧贴在下腔体上。螺钉打孔固定电路板要均匀,分布合理,保证良好的接地性能。

3 主要性能指标测试

3.1 噪声系数和增益的测量

用噪声增益测试仪测量增益和噪声系数。测量结果如表1所示。

表1 增益、噪声系数测试结果

实际测试结果与仿真结果相比,噪声系数略有增加,增益略有减小。主要由于设计过程是基于理想无耗状态下进行的,实际制作过程中的工艺误差和元器件的离散性等,都会影响LNA的噪声系数、增益和驻波比等性能。总地来说,测试结果与设计结果还是比较一致,这主要得益于合理的反馈电路形式及反馈元件处理的准确和工作点选择得当等,既有灵活性又有一定的重复性。

3.2 电源拉偏试验

在恶劣的工作环境中,由于各种原因导致供给电压变化时有发生。所以当电压在一定范围内变化时,要求LNA仍能正常工作。

当电源由额定值12 V降到11 V,增益下降小于1 dB,噪声系数基本不变;当电源由额定值12 V升到13 V时,增益增大小于0.8 dB,噪声系数增大小于0.1 dB,满足指标要求。

电源拉偏,实际上是模拟稍微改变LNA的各级放大器的工作电流。满足电源拉偏,说明各级放大器工作点选择得当,处于器件的增益、噪声系数等特性曲线的平滑区域内,工作稳定可靠。

同理,高、低温工作实质上也是放大器工作点偏移、基底噪声变化、增益偏移和匹配电路参数变化,其中,影响最大的是工作点偏移。所以满足电源拉偏的LNA,通常都会顺利通过高、低温试验。

4 结束语

利用负反馈原理,辅助ADS软件进行仿真、优化,设计出的LNA性能优良、调试过程简单、产品质量稳定可靠、成本低廉,可广泛应用于微波通信设备中。可见,运用ADS软件进行LNA的计算机辅助设计大大缩短了研制周期,提高了部件的模块化水平。

[1]清华大学通信教研组.高频电路[M].北京:人民邮电出版社,1980.

[2]嘉 奎,金宝琴,谢洪月熏.电子线路[M].高等教育出版社,1979.

[3]LUDWIG Reinhold,BRETCHKO Pavel.射频电路设计——理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.