2.4 GHz低噪聲放大器設(shè)計(jì)

韋可雷，郭 敏，黃 雷，袁乃昌

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

2.4 GHz低噪聲放大器設(shè)計(jì)

韋可雷，郭 敏，黃 雷，袁乃昌

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

低噪聲放大器是信號(hào)接收前段的重要部件，它的性能決定了整體接收機(jī)系統(tǒng)的信噪比。本文介紹了一種基于英飛凌公司的BFP740ESD放大器設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程，采用2級(jí)芯片級(jí)聯(lián)放大的方法，首先通過(guò)ADS2013建模仿真，確定放大器的原理圖；然后根據(jù)原理圖繪制PCB版圖。實(shí)物測(cè)試結(jié)果得到，在2.3～2.5 GHz的范圍內(nèi)增益為32 dB左右。在室溫下，噪聲系數(shù)低于1.5 dB，在中心頻率2.4 GHz時(shí)，輸入端的S11達(dá)到-20 dB，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，具有良好性能。

低噪聲放大器；ADS；噪聲系數(shù)；增益

低噪聲放大器處于信號(hào)接收系統(tǒng)的前端，其主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，減小噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)[1]。對(duì)于接收機(jī)系統(tǒng)，噪聲系數(shù)NF決定了系統(tǒng)的靈敏度。對(duì)于多級(jí)級(jí)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，第一級(jí)的噪聲系數(shù)決定了整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。所以，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)重要，是提高整體系統(tǒng)靈敏度重要方法。

目前，利用微波電路設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合可靠的LNA設(shè)計(jì)理論來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，可以避開(kāi)復(fù)雜的理論計(jì)算，極大地提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和效率，有效縮短研制周期，降低成本。Agilent公司的ADS軟件由于其強(qiáng)大的功能而廣泛應(yīng)用于射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有噪聲系數(shù)NF，增益G，輸入端反射系數(shù)S11。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是在盡量低噪聲的情況下，提高增益，同時(shí)S11盡量低。

1 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用ADS軟件來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，可以避免復(fù)雜的理論計(jì)算，有效縮短研制周期，降低成本。并且該放大器工作頻率為2.4 GHz，為開(kāi)放公共使用頻段，在ADS中有參考工程可以借鑒。

1.1 器件選擇與整體級(jí)數(shù)確定

英飛凌公司是全球知名半導(dǎo)體生產(chǎn)商，其生產(chǎn)的半導(dǎo)體涵蓋有線和無(wú)線通信、汽車(chē)和工業(yè)電子、計(jì)算機(jī)安全等應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)采用的英飛凌低噪聲放大器BPF740ESD，是一款低噪聲寬帶兩極NPN射頻晶體管。高增益低噪聲的特點(diǎn)使其尤其適合移動(dòng)通信應(yīng)用領(lǐng)域。并且該芯片采用英飛凌的可靠高電壓SiGe:C異質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)，使其工作電壓Vceo高達(dá)4.2 V，Ic達(dá)到45 mA。資料手冊(cè)表明，在2.4 GHz的頻率上，其增益可達(dá)到20 dB以上，為達(dá)到至少30 dB的增益要求，故采用2級(jí)增益放大設(shè)計(jì)。

1.2 偏置電路設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

偏置電路的設(shè)計(jì)可借助ADS中的直流分析模板DC Tracing，結(jié)合芯片手冊(cè)，確定直流工作點(diǎn)。首先設(shè)計(jì)單級(jí)偏置電路，后一級(jí)采用同樣的直流偏置電路。下載芯片的ADS參數(shù)模型，導(dǎo)入到軟件中，結(jié)合芯片手冊(cè)最終確定集電極電流為13.1 mA，集極電壓由電子分壓得到。放大器的穩(wěn)定性，直接決定了放大器能否正常工作，若使放大器正常工作，則必須滿足如下判定條件：

在電路兩端，添加50歐端口，并調(diào)用StabFact控件，來(lái)繪制穩(wěn)定系數(shù)曲線。只有絕對(duì)穩(wěn)定系數(shù)K＞1時(shí)，放大器才穩(wěn)定。使系統(tǒng)穩(wěn)定的方法，最常用的就是添加負(fù)反饋[3]。在本設(shè)計(jì)中，在發(fā)射極添加可調(diào)電感值，調(diào)節(jié)其大小，觀察穩(wěn)定系數(shù)曲線，在2.3～2.5 GHz范圍內(nèi)，由K值大于1來(lái)確定其值大小。最總確定，其電感值為0.35 nH，電感值過(guò)小，集中參數(shù)元件中無(wú)對(duì)應(yīng)值，則可以用微帶線來(lái)代替。本設(shè)計(jì)中，微帶線的介質(zhì)采用FR4材料，其參數(shù)介電常數(shù)Er=4.4，板厚1 mm，通過(guò)ADS中的LinCalcu工具計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的微帶線寬度和長(zhǎng)度。第一級(jí)放大器電路原理如圖1所示。

圖1 單級(jí)放大器原理圖

1.3 匹配電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大，故兩級(jí)放大器之間需要添加匹配電路，使第二級(jí)電路輸入電阻與匹配到第一級(jí)輸出電阻。同時(shí)對(duì)于此低噪聲放大器，為使整個(gè)電路噪聲系數(shù)較小，輸入端應(yīng)做最小噪聲匹配。為使放大器增益盡量大，第二級(jí)應(yīng)當(dāng)做最大增益匹配。

在做匹配電路前，將單級(jí)放大器中的理想集中參數(shù)元件，換為實(shí)際的器件。可以通過(guò)將實(shí)際元器件模型導(dǎo)入到軟件中，代替理想元件。輸入端的最小噪聲匹配首先需要借助最小噪聲系數(shù)圓確定輸入端的輸入阻抗，然后利用Smith圓圖匹配工具Smith Chart Utility對(duì)輸入端進(jìn)行匹配[4]，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所有連接線的特性阻抗為50歐姆，所以將其匹配到50歐姆。匹配結(jié)果如圖2所示：由輸入端阻抗匹配到中心點(diǎn)。

兩級(jí)放大器間的阻抗匹配通過(guò)微帶單枝短截線匹配控件SSmtch來(lái)自匹配如圖3所示。

對(duì)輸出端的最大輸出匹配可采用類(lèi)似輸入端最小噪聲匹配的方法，首先得出輸出端輸出阻抗，在通過(guò)Smith Chart Utility進(jìn)行匹配。

圖2 輸入端最小噪聲匹配

圖3 兩級(jí)放大器間的阻抗匹配

1.4 綜合優(yōu)化與制版

調(diào)用ADS中的OPTIM控件，并設(shè)置幾組優(yōu)化目標(biāo)，包括S11＜-10 dB，S21＞30 dB等，對(duì)輸入端的電容，發(fā)射極反饋電感等對(duì)性能敏感的值設(shè)置為變量，來(lái)綜合優(yōu)化電路，并且可以手動(dòng)調(diào)節(jié)這些變量，使噪聲系數(shù)、增益、輸入端反射系數(shù)達(dá)到最優(yōu)的組合。優(yōu)化完成后，利用 PCB繪制軟件 Altium Designer繪制此設(shè)計(jì)的PCB版圖，如圖4所示。

圖4PCB版圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與結(jié)果

2.1 增益、反射系數(shù)測(cè)量

將低噪聲模塊接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，可以測(cè)得其主要S參數(shù)如下圖所示。測(cè)量?jī)x器為Agilent N5230C網(wǎng)絡(luò)分析儀。

圖5 實(shí)測(cè)S21結(jié)果

可以看到S21在32 dB左右，且在測(cè)量的范圍內(nèi)2.2～2.6 GHz內(nèi)，增益較平坦。在2.4 GHz頻點(diǎn)上有33 dB的增益，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。S11在-20 dB左右，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，說(shuō)明輸入匹配很好，反射系數(shù)較小，具有良好的性能。

圖6 實(shí)測(cè)S11結(jié)果

2.2 噪聲系數(shù)測(cè)量

將噪聲源接入低噪聲放大器輸入端，在接入到Rohde& Schwarz的頻譜分析儀中，選擇噪聲測(cè)量，校準(zhǔn)一段時(shí)間后，得到測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

可以看到，噪聲系數(shù)也具有較好的性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)在ADS中基于BFP740ESD構(gòu)建仿真模型，詳細(xì)介紹了仿真、優(yōu)化過(guò)程，并給出了實(shí)物版圖，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，具有參考意義。實(shí)測(cè)結(jié)果看出，此低噪聲放大器具有量好的性能，能夠滿足接收機(jī)系統(tǒng)的要求，并且和ADS仿真效果相差不多，所以ADS的使用有效的縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。

[1]徐福興.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.

[2]丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[3]唐海嘯，張玉興等.利用ADS軟件設(shè)計(jì)X頻段低噪聲放大器[J].電視技術(shù)，2006（3）:119-122.

[4]畢娜娜.劉德喜.Bi Nana.LiuDexi C頻段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)[J].遙測(cè)遙控，2015（3）：37-41.

[5]黃智濤.射頻小信號(hào)放大器電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[6]李瑞，耿立明.Altium Designer 14電路設(shè)計(jì)與仿真從入門(mén)到精通[M].北京：人民郵電出版社，2014.

The design of 2.4 GHz LNA

WEI Ke-lei，GUO Ming，HUANG Lei，YUAN Nai-chang
（College of Electronic Science and Engineering，Nationl University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

The low noise amplifier is an important part of the signal receiver.Its performance determines the SNR of the whole receiver system.This paper introduces a design process of a broadband low noise amplifier based on the BFP740ESD chip of InfineonCorporation.The method of 2 stage chip cascade amplification is adopted.Firstly，the principle of the amplifier is determined by ADS2013 modeling simulation.Then，the PCB layout is drawn according to the schematic diagram.Test results are obtained，and the gain of 2.3～2.5GHz is about 32 dB.At room temperature，the noise figure is lower than 1.5dB，and the S11 reached-20 dB at the center frequency 2.4 GHz，and the input terminal achieves the expected design requirements，and has good performance.

LNA；ADS；noise figure；gain

TN72

A

1674－6236（2016）18-0172-03

2015-09-15 稿件編號(hào)：201509106

韋可雷(1992—)，男，安徽臨泉人，碩士研究生。研究方向：微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)與數(shù)字電路設(shè)計(jì)。