寬頻帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

張彥雄

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

寬頻帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

張彥雄

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

隨著光纖通信、衛(wèi)星通信向著寬頻帶方向發(fā)展，要求放大器的帶寬也就越來(lái)越寬。文中設(shè)計(jì)了一種低噪聲放大器，該放大器具有較低的噪聲系數(shù)，同時(shí)工作頻帶較寬。增益平坦度在工作頻段內(nèi)控制在約1 dB，另外該低噪聲放大器的輸入輸出匹配和穩(wěn)定性良好。

低噪聲放大器;寬頻帶;增益平坦度

低噪聲放大器在電路中應(yīng)用廣泛，但是頻帶較寬的低噪聲放大器增益卻在頻率高端常以6 dB/倍頻程的速率下降［1］，同時(shí)還考慮穩(wěn)定性等諸多因素。因此寬頻帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。文中采用負(fù)反饋式放大器結(jié)構(gòu)［2］利用ADS軟件設(shè)計(jì)仿真了一副具有寬頻帶特性、增益較高，同時(shí)能夠保證穩(wěn)定性以及低噪聲系數(shù)和低增益平坦度的放大器。該放大器可用于多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的前端第一級(jí)使用。

1 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)

給定放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:(1)工作頻率1.1～1.6 GHz。(2)增益＞15 dB。(3)增益平坦度，在頻帶內(nèi)＜1 dB。(3)駐波比，輸入輸出駐波比都 ＜1.5。(4)噪聲系數(shù):頻帶內(nèi)＜1 dB。

文中設(shè)計(jì)的放大器是利用安捷倫公司的高電子遷移率晶體管(PHEMT)ATF54143管進(jìn)行設(shè)計(jì)。在FET的漏極和柵極之間接入一個(gè)串聯(lián)的RL反饋。這樣調(diào)整電阻R以及電感L的值就可以改善輸入輸出匹配，并且通過(guò)犧牲低頻增益改善穩(wěn)定度。

2 未加負(fù)反饋的電路仿真設(shè)計(jì)

廠家提供的ATF54143的資料中，噪聲性能曲線如圖1所示。

圖1 ATF54143的噪聲曲線

圖1是在Vds=3 V時(shí)，Ids分別為60 mA，40 mA以及80 mA時(shí)的最小噪聲曲線。可以看出，在 Ids=60 mA時(shí)，在1.0～2.0 GHz的范圍內(nèi)最小噪聲都在0.4 dB以下，噪聲性能優(yōu)越。另外在Ids為40 mA以及80 mA時(shí)，最小噪聲曲線與Ids=60 mA時(shí)的曲線基本一致，變化不大。

表1為 ATF54143在 Vds=3 V，Ids=60 mA的 S參數(shù)。

表1 ATF54143的S參數(shù)

利用式(1)和式(2)［3］，當(dāng) K ＞1時(shí)，三極管工作在穩(wěn)定狀態(tài)，反之若是K＜1，則表示在相應(yīng)的頻段內(nèi)，管子是較不穩(wěn)定的。將表1中的有關(guān)S參數(shù)帶入式(1)、式(2)就可以判斷出管子在1.1～1.6 GHz頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在1.0 GHz時(shí)K=0.514在1.5 GHz時(shí)K=0.703，所以經(jīng)判定，管子在 Vds=3 V，Ids=60 mA的條件下，在1.0～1.5 GHz頻帶內(nèi)工作是不穩(wěn)定的。這通過(guò)在源極添加小的電感來(lái)使得電路變得穩(wěn)定。建立如圖2的偏置電路，經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試，此時(shí)Vds=3.01 V，Ids=60.4 mA。

圖2 對(duì)應(yīng)Vds=3.01 V，Ids=60.4 mA的偏置電路

在沒(méi)有RL負(fù)反饋的情況，電路如圖3所示。

圖3 沒(méi)有添加RL負(fù)反饋的電路圖

經(jīng)過(guò)仿真，發(fā)現(xiàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，在源極添加小電感后的電路是穩(wěn)定的。K值在1.1～1.6 GHz范圍內(nèi)都＞1，噪聲系數(shù)良好。經(jīng)過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，L5對(duì)于電路的噪聲性能影響較大，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)可使電路的噪聲系數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)。但增益雖然較高，增益平坦度卻很大，達(dá)到2.3 dB。

3 RL負(fù)反饋對(duì)電路和輸入輸出匹配穩(wěn)定性

將低增益平坦度，在FET的漏極和柵極之間接入一個(gè)串聯(lián)的RL反饋。同時(shí)利用ADS軟件做好輸入輸出的匹配。反饋示意圖如圖5所示。

圖5 RL反饋示意圖

如圖5為更好的降低頻帶內(nèi)增益平坦度，在電阻和電感之間加上一個(gè)接地的電容，發(fā)現(xiàn)效果更好，此電容的電容值較小，調(diào)試可得最佳值。

輸出端的匹配如圖6所示。

圖6 輸出端的匹配電路結(jié)構(gòu)

起初在電路的輸入端添加了一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，但在引入RL反饋之后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)調(diào)試輸出端與反饋鏈路的元器件值，可將輸入端的匹配網(wǎng)絡(luò)省略，因此輸入端未加匹配結(jié)構(gòu)，但最終也不失配。

從圖7可以明顯的看出，在引入RL反饋之后，同時(shí)調(diào)整其他電阻電容以及電感值，發(fā)現(xiàn)電路依然穩(wěn)定，輸入輸出端的駐波比最終在1.5 GHz以下，達(dá)到了匹配目的。噪聲系數(shù)nf(2)與之前相比有所增加，但總體上是低于0.6 GHz，也是符合要求的。放大器的增益雖然由于引入負(fù)反饋有所降低，但是在1.1～1.6 GHz頻帶內(nèi)也＞15 dB。同時(shí)，最重要的是增益平坦度降到了1 dB之內(nèi)，同時(shí)達(dá)到了要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的仿真設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，反饋在電路中的作用舉足輕重，適當(dāng)引入負(fù)反饋犧牲增益來(lái)提高電路的其他性能是可取的。設(shè)計(jì)的低噪聲放大器頻率覆蓋美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的伽利略以及我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，因此可用在多模衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的前端來(lái)使用。但以上仿真未加工成實(shí)物，還有待于實(shí)際的測(cè)試檢驗(yàn)。另外電路里的電感電容值較小的元器件，由于實(shí)際的電感電容較難達(dá)到，所以在電路中不應(yīng)采用分立結(jié)構(gòu)的實(shí)際電感，最好選擇感性或者容性的微帶結(jié)構(gòu)來(lái)代替，以提高電路的整體可靠性。

［1］雷振亞，李磊，謝擁軍，等.微波電子線路［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［2］彭沛夫.微波技術(shù)與實(shí)驗(yàn)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［3］徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［4］石超，孫保華，魏云飛，等.GPS接收機(jī)低噪聲放大器設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2010，23(3):60 －62.

［5］黃玉蘭.基于ADS的射頻低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真［J］.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，15(3):26－29.

Design of Wideband Low-noise Amplifier

ZHANG Yanxiong
(School of Electronic Engineering，Xidian University，Xi'an 710071，China)

In recent years，with the development of optical and satellite communication toward broadband，the bandwidth of the filter is increasingly wide.A low-noise amplifier，which owns a very low noise figure(NF)and a wide frequency band，is designed in this paper.The LNA owns a low gain flatness，which is less than 1 decibel.The matching of the input and output of this LNA and its stability are well.

low-noise amplifier;wideband;gain flatness

TN722.3

A

1007－7820(2012)06－100－04

2011-12-27

張彥雄(1986—)，男，碩士研究生。研究方向:低噪聲放大器，有源天線設(shè)計(jì)。