基于ADS仿真的寬帶低噪聲放大器設計

劉麗靜,張立哲

(1.西安電子科技大學,陜西西安710071;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著通信技術的飛速發展,要求射頻系統有更寬的頻帶、更高的靈敏度,對部件高性能、小型化、模塊化、高可靠等方面的要求越來越迫切。作為高靈敏度接收機的關鍵部件,低噪聲放大器(LNA)主要作用是放大天線接收到的微弱信號,降低噪聲干擾。更低的噪聲系數、更高的增益、足夠寬的工作頻帶和良好的增益平坦度,已成為LNA設計中越來越嚴格的指標。在設計過程中,需要大量的理論計算和史密斯圓圖分析,給設計帶來困難。利用ADS軟件仿真,可得到事半功倍的效果。通過ADS輔助軟件,結合設計理論,仿真設計寬帶LNA。此LNA在200～800MHz頻段內噪聲系數NF≤1.0 dB,增益G≥35 dB。

1 設計思路

要設計一個性能優良的寬帶LNA,除了選擇合適的器件外,還要設計出良好的電路形式以及合適的工作點等,充分發揮器件的潛在能力,再經過精心調試,方能得到滿意得結果。

1.1 器件的選擇

因為此放大器所工作的頻段不高,所以選用晶體管即可。為滿足設計指標中的功率增益,采用了三級級聯的方式設計。三級級聯放大器噪聲系數為:

從式(1)可以看出,如果第1級放大器的噪聲系數F1和第2級放大器的噪聲系數F2大,則總的噪聲系數大;當F1和F2為定值時,第1級放大器的功率增益G1增大,則總噪聲系數F減小。這是因為當G1大時,信源內阻熱噪聲和第1級的內部噪聲在全部輸出噪聲中所占比重增加,相對來說,第2級的內部噪聲的作用就減小了。要降低LNA的噪聲系數,主要是降低前級電路的噪聲系數;為降低后續電路的噪聲系數對整個LNA噪聲的影響,前級放大器需要提供適當的增益。因此,前兩級選用微波低噪聲射頻硅晶體管2SC3356。

考慮到LNA用于接收機前端,接收信號一般有幾十分貝的動態范圍。選擇第3級放大器要考慮LNA的動態范圍應大于接收信號的動態范圍。所以第3級放大器選擇ERA-6sm,其1 dB壓縮點(P-1)達18 dBm,且為SMT封裝,體積小、成本低。

1.2 電路設計

設計LNA時,其增益、噪聲系數、穩定性和寬帶作為主要指標考慮。設計一開始就抓住噪聲系數這個核心指標來進行分析、計算并設計電路。采用共發射極電路。因為共發射極電路最佳噪聲系數的源阻抗與輸入阻抗比較接近,可獲得最佳噪聲系數和較好的輸入電壓駐波比,輸入電路接近匹配狀態,功率增益較大。

設計寬帶放大器的主要障礙受到有源器件增益—帶寬積的制約;任何有源器件的增益在高端都具有逐漸下降的特征。所以設計寬帶LNA就必須采取補償措施。人們提出了2種解決辦法:頻率補償匹配網絡和負反饋電路。頻率補償匹配網絡在器件的輸入或輸出端口引入失配,用于補償由于S參量隨頻率變化產生的影響。這種匹配網絡的主要問題在于,其設計相當困難,而且設計過程幾乎是靠經驗而不是依據能夠保證成功的完善工程設計方法。利用負反饋方法可以得到平坦的增益響應并可在寬頻帶內降低輸入輸出電壓駐波比。負反饋方案的另外一個優點是,它可以降低晶體管參數的離散性對放大器特性的影響。雖然負反饋放大器各個特性的改良是以略微增加了噪聲和限制晶體管的最大功率增益為代價,但這種電路形式是不失為綜合效果最優的方法。

電路原理圖如圖1所示。第1級與第2級采用直流耦合以減小損耗,降低噪聲系數。

圖1 電路原理及拓撲結構

2 LNA的仿真

ADS軟件是當前射頻和微波電路設計的首選工程軟件。該軟件涵蓋了小至元器件,大到系統級的設計和分析;尤其是其強大的仿真設計手段可在時域或頻域內實現對數字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析與優化,并可對設計結果進行成品率分析與優化,從而大大提高了復雜電路的設計效率,使之成為設計人員的有效工具。

2.1 初值的確定

微波電路優化軟件具有一定的使用條件,優化算法存在收斂域和收斂速度等問題。所以優化的目的是在一定范圍內,通過仿真軟件優化,改善微波電路的性能,找到滿足工程需要的可行解。如果讓優化軟件在較大范圍內搜索,將花費較多的計算時間。如果給定的初值離最優值比較遠也要花費較多的時間或落入局部最優點。因此,優化的初值的選取對于設計的成功有著重要的意義。

對電路進行透徹分析后,可計算出元件初值。由圖1可知,R4、R5、R6構成直流負反饋電路,R5起到了調整第1級與第2級放大器的直流工作點的作用。調整R5的值,可使放大器的噪聲系數NF最小。為避免交流反饋影響增益,用L1、C2阻止交流反饋。另外,L1還用于輸入電路的阻抗匹配。

第2級放大器中R3起到了交流負反饋的作用。R3不宜過大,如果過大,會因為負反饋太強而使增益損失過大,而且深度負反饋可能引起放大器工作的不穩定,即產生自激振蕩。旁路電容C3與R4并聯,避免交流負反饋造成增益損失。

通過器件資料和實驗方法得知當N1的集電極電流IC1=6.5 mA時,N1噪聲系數最小,所以取IC1=6.5 mA,UCE1=6.4 V。第2級主要考慮增益盡可能高,兼顧噪聲系數,還要考慮到放大器的線性,選擇第2級放大器的IC2=40 mA,UCE2=4 V。第3極放大器工作電流為70 mA,集電極電壓約5 V。經計算得出元件值:

由于放大器工作頻段在UHF范圍內,電路分布參數影響較小,對印制板材料要求也不是很高,可以采用集中參數設計。

2.2 優化設計

優化前需要依據技術要求設置優化目標。一般情況下,優化目標設置的比實際指標嚴格一些。因為軟件仿真時只是理想模型,而實際電路復雜得多,會有一些仿真中沒有考慮的因素。設計過程比較復雜,要同時兼顧增益、噪聲系數、穩定性和輸入輸出駐波比等,因此進行電路優化時,需要注意合理設置各項優化指標,使放大器綜合性能最優。

關于優化變量的選擇,可以充分利用軟件的調諧功能,選擇其中幾個變量進行試探,觀察各變量對指標曲線的影響情況。

在軟件優化方法中,最常見的是梯度法與隨機法。比較合理的方式是充分發揮2種優化方法的優點。先采用隨機法進行大范圍的搜索,然后運用梯度法,尋找局部最優點,之后重復使用隨機法,再采用梯度法……根據優化結果,結合設計指標,反復調整優化方法、優化目標中的權重,通過對帶內放大器增益的限制來滿足增益平坦度指標,最終得到最佳效果。

最后,根據所用元件誤差和工藝誤差對電路進行成品率分析和進一步優化,使成品率達到一定水平。優化得到的各元件值與理論計算結果接近。優化后的仿真結果如圖2和圖3所示。由仿真結果可知,穩定性因子(StabFact1即K值)大于1,穩定性度量(StabMeas1即B值)大于0。因此,LNA電路是絕對穩定的。

從圖2和圖3可以看出,優化后的仿真結果滿足設計指標要求。

圖2 增益、噪聲系數仿真結果

圖3 回波損耗、穩定性仿真結果

2.3 結構和工藝

結合電路設計結果進行結構設計時,務必使結構緊湊合理。將LNA制作在25 mm×15 mm聚四氟乙烯雙面敷銅板上,制作工藝成熟穩定,重復性好,所選器件小且便于表面貼裝。器件焊接在一面,另一面緊貼在下腔體上。螺釘打孔固定電路板要均勻,分布合理,保證良好的接地性能。

3 主要性能指標測試

3.1 噪聲系數和增益的測量

用噪聲增益測試儀測量增益和噪聲系數。測量結果如表1所示。

表1 增益、噪聲系數測試結果

實際測試結果與仿真結果相比,噪聲系數略有增加,增益略有減小。主要由于設計過程是基于理想無耗狀態下進行的,實際制作過程中的工藝誤差和元器件的離散性等,都會影響LNA的噪聲系數、增益和駐波比等性能。總地來說,測試結果與設計結果還是比較一致,這主要得益于合理的反饋電路形式及反饋元件處理的準確和工作點選擇得當等,既有靈活性又有一定的重復性。

3.2 電源拉偏試驗

在惡劣的工作環境中,由于各種原因導致供給電壓變化時有發生。所以當電壓在一定范圍內變化時,要求LNA仍能正常工作。

當電源由額定值12 V降到11 V,增益下降小于1 dB,噪聲系數基本不變;當電源由額定值12 V升到13 V時,增益增大小于0.8 dB,噪聲系數增大小于0.1 dB,滿足指標要求。

電源拉偏,實際上是模擬稍微改變LNA的各級放大器的工作電流。滿足電源拉偏,說明各級放大器工作點選擇得當,處于器件的增益、噪聲系數等特性曲線的平滑區域內,工作穩定可靠。

同理,高、低溫工作實質上也是放大器工作點偏移、基底噪聲變化、增益偏移和匹配電路參數變化,其中,影響最大的是工作點偏移。所以滿足電源拉偏的LNA,通常都會順利通過高、低溫試驗。

4 結束語

利用負反饋原理,輔助ADS軟件進行仿真、優化,設計出的LNA性能優良、調試過程簡單、產品質量穩定可靠、成本低廉,可廣泛應用于微波通信設備中。可見,運用ADS軟件進行LNA的計算機輔助設計大大縮短了研制周期,提高了部件的模塊化水平。

[1]清華大學通信教研組.高頻電路[M].北京:人民郵電出版社,1980.

[2]嘉 奎,金寶琴,謝洪月熏.電子線路[M].高等教育出版社,1979.

[3]LUDWIG Reinhold,BRETCHKO Pavel.射頻電路設計——理論與應用[M].北京:電子工業出版社,2002.