低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與靈敏度分析

梁晶晶，沈福貴，逯貴禎

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與靈敏度分析

梁晶晶，沈福貴，逯貴禎

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器利用集成芯片ATF36163完成了電路的設(shè)計(jì)，利用ADS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真，最后給出了仿真結(jié)果、版圖設(shè)計(jì)及實(shí)測結(jié)果。同時(shí)通過研究電路參數(shù)的靈敏度對(duì)該低噪聲放大器進(jìn)行了靈敏度分析，使得低噪聲放大器不僅符合接收機(jī)對(duì)LNA的指標(biāo)要求，還能使性能更加穩(wěn)定。

低噪聲放大器(LNA);噪聲系數(shù);增益;靈敏度分析

1 引言

低噪聲放大器是射頻接收機(jī)前段的關(guān)鍵模塊，它對(duì)天線接收到的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行線性放大，同時(shí)抑制各種噪聲干擾，提高系統(tǒng)靈敏度。由于LNA在接收系統(tǒng)中的特殊位置和作用，該部件的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)的性能指標(biāo)起著關(guān)鍵作用［1］。

本文利用AVAGO公司的集成芯片ATF36163來設(shè)計(jì)低噪聲放大器，它具有精確的仿真模型，能夠在外部調(diào)整電源電流和增益的功能。在RF電路的設(shè)計(jì)上進(jìn)一步采用了微帶線的優(yōu)化來設(shè)計(jì)仿真電路，并且通過對(duì)電路中參數(shù)的靈敏度分析來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。理論結(jié)果表明，在功耗相同的條件下，它的噪聲系數(shù)和增益也都優(yōu)于傳統(tǒng)的低噪聲放大器。本文采用Agilent公司的Advanced Design System(ADS)軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。此軟件能夠提供各種微波射頻電路的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)理論

低噪聲放大器的主要指標(biāo)有:工作頻帶，噪聲系數(shù)，增益，穩(wěn)定性，駐波比以及增益平坦度。對(duì)于任何低噪聲放大器，它必須在工作頻率內(nèi)是穩(wěn)定的，同時(shí)它應(yīng)該具有較小的噪聲系數(shù)和一定大的增益。

2.1 穩(wěn)定準(zhǔn)則

穩(wěn)定性是指放大器抑制環(huán)境的變化(如信號(hào)頻率的穩(wěn)定、源和負(fù)載等變化時(shí))、維持正常工作特性的能力［2］。使放大器保持絕對(duì)穩(wěn)定的條件是:

其中△=S11S22-S12S21，K稱為穩(wěn)定因子。當(dāng)同時(shí)滿足上面3個(gè)條件時(shí)，放大器絕對(duì)穩(wěn)定;若放大器不滿足絕對(duì)穩(wěn)定條件時(shí)，需要采取一些措施來改善放大器的穩(wěn)定性.主要方法有:源極串聯(lián)負(fù)反饋、漏極與柵極間并聯(lián)負(fù)反饋、漏極串聯(lián)電阻和漏極并聯(lián)電阻、插入鐵氧體隔離器［3］。

2.2 放大器的噪聲系數(shù)

放大器的噪聲系數(shù)可以表示為:

式中，Nfmin是最小噪聲系數(shù)，由放大器管子本身決定，Rn是等效噪聲電阻，Гopt是最佳信源反射系數(shù)。當(dāng) Гs=Гopt時(shí)，放大器可達(dá)到最小噪聲系數(shù)Nfmin，即稱此時(shí)為最佳噪聲匹配狀態(tài)。

多個(gè)放大器級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)為:

由此可見，多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)主要由第1級(jí)放大器決定。要獲得好的系統(tǒng)噪聲性能，必須按最佳噪聲匹配設(shè)計(jì)輸入匹配電路。

2.3 放大器的增益和駐波

放大電路由二端口網(wǎng)絡(luò)方框圖表示，如圖1所示:

圖1 放大器電路二端口網(wǎng)絡(luò)方框圖

信源和負(fù)載都是50Ω時(shí)，放大器的實(shí)際功率增益為:

語文教師教研中的“歪題正做”主要包含三層意思，一是對(duì)一些比較大的選題，既然選定了，就要高度重視，力求做出成果來；二是對(duì)一些比較邊緣化的選題，可以積極遷移，挖掘其與語文教學(xué)的關(guān)聯(lián)，或從中受到啟發(fā)，找到共性；三是對(duì)真正選“歪”了的題要換角度思考，千方百計(jì)引導(dǎo)到“正”上來，進(jìn)行有效矯正。

3 低噪聲放大器的仿真與優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，選用 AVAGO公司的ATF36163［5］作為核心器件設(shè)計(jì) LNA。ATF36163 是一款具有有源偏壓電路的經(jīng)濟(jì)型、使用簡易的砷化鎵單片微波集成電路低噪聲放大器，它采用0.2μm的GaAs pHEMT工藝，具有精確的晶體管仿真模型和較小的噪聲電阻，能夠有效降低噪聲性能的靈敏度，該器件非常適合1.5GHz～18GHz頻率范圍運(yùn)作。

3.1 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:頻率范圍:10.3GHz～10.7GHz;噪聲系數(shù):NF＜1.8dB;帶內(nèi)增益:G＞15dB;輸入/輸出駐波比:＜2。

考慮到增益和噪聲系數(shù)的要求，在VD=2V，IDS=15mA的偏置條件下，10.5GHz時(shí)最小噪聲系數(shù)約為0.7dB，增益為13dB。為了得到20dB以上的增益，采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)晶體管集成在同一基片上，輸入輸出端口之間通過微帶線匹配到50Ω。

3.2 偏置電路設(shè)計(jì)

偏置電路至關(guān)重要，合理的偏置能讓放大器工作在最佳狀態(tài)下。該放大電路采用±5V的雙電源供電，根據(jù)參數(shù)模型提供的偏置條件，串聯(lián)分壓電阻將放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置為VD=2V，IDS=15mA。通過四分之一高阻微帶線饋電，高阻微帶線端接扇形線對(duì)高頻短路［6］，并接濾波電容對(duì)電源進(jìn)行濾波。

3.3 匹配電路設(shè)計(jì)

匹配電路設(shè)計(jì)主要考慮放大器的噪聲系數(shù)、增益及駐波比等因素。為了在整個(gè)頻段內(nèi)具有良好的匹配效果，一般先選定中心頻率進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)，然后再對(duì)整個(gè)頻帶內(nèi)的電路進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化。兩級(jí)放大器的匹配電路包括輸入匹配，輸出匹配和級(jí)間匹配。其中，輸入匹配按最小噪聲匹配設(shè)計(jì)，級(jí)間匹配電路應(yīng)使后級(jí)放大器輸入阻抗與前級(jí)放大器輸出阻抗相匹配，以獲得最大的增益。輸出匹配電路則主要用于提高增益，改善增益平坦度以及輸出駐波比，所以采用最佳功率匹配。

本設(shè)計(jì)根據(jù)放大器的ADS模型，利用微波仿真軟件，運(yùn)用其Smith圓圖工具和強(qiáng)大的優(yōu)化功能來進(jìn)行匹配。與傳統(tǒng)的單純利用Smith圓圖的匹配方法相比，本方法能有效的縮短設(shè)計(jì)周期，并且實(shí)現(xiàn)的匹配電路更準(zhǔn)確，帶寬更寬;采用微帶分支線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)匹配，可使匹配性能提高且結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn);同時(shí)，為了改善放大器的增益平坦度，將電路匹配到10GHz而不是中心頻率處，使頻帶低端失配;由于過孔接地帶來的寄生效應(yīng)很難估計(jì)，分支線均設(shè)計(jì)為終端開路分支線。

3.4 模型仿真與優(yōu)化

根據(jù)AVAGO公司提的晶體管仿真模型，建立仿真原理圖，如圖2:

圖2 低噪聲放大器仿真原理圖

本設(shè)計(jì)采用介質(zhì)板FR4作為基板，設(shè)定基板的參數(shù)(εr=4.4，h=0.8mm)。將分支線的寬度和主傳輸線的長度設(shè)為優(yōu)化變量，進(jìn)行優(yōu)化仿真。優(yōu)化仿真遵循以下幾點(diǎn):先利用優(yōu)化工具實(shí)現(xiàn)設(shè)定的目標(biāo)，優(yōu)化過程分步驟有主次地進(jìn)行;在每次優(yōu)化時(shí)，應(yīng)該有選擇地設(shè)置少量的可變參數(shù)，分步驟進(jìn)行優(yōu)化;優(yōu)化后再使用調(diào)諧工具手動(dòng)微調(diào)各元件參數(shù)，可以得知各參數(shù)對(duì)電路性能的影響情況，對(duì)于敏感參數(shù)仔細(xì)處理或采取措施以避免特別敏感的參數(shù)出現(xiàn)。

由于制作加工過程中可能帶來的誤差，設(shè)計(jì)仿真的性能指標(biāo)設(shè)置必須高于所要求達(dá)到的性能指標(biāo)。通過反復(fù)的優(yōu)化，最后得到的仿真結(jié)果為:在10.3GHz～10.7GHz頻帶內(nèi)，噪聲系數(shù) ＜1dB，增益=21dB±0.5dB，輸入/輸出駐波 ＜2。圖3(a)為噪聲系數(shù)-頻率曲線，圖3(b)為增益-頻率曲線。圖3(c)為輸入輸出駐波比曲線。

3.5 實(shí)測結(jié)果分析

對(duì)加工成型的LNA進(jìn)行散射參數(shù)測試，在頻帶范圍10.3GHz～10.7GHz處的增益(S21)約為16.4dB，考慮到連接的測試線上有1～2dB的衰減，LNA前一級(jí)的介質(zhì)濾波器有約1dB的衰減，兩級(jí)LNA之間連接的3個(gè)電容有約3dB的衰減，綜合LNA的增益在21dB左右，與仿真結(jié)果基本一致。輸出波形如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的增益波形

4 靈敏度分析

4.1 靈敏度的概念

放大器中的元器件，通常由于制造公差、測量誤差和模型的近似性，其實(shí)際值都是在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)量，故放大器的實(shí)際特性一般不可能是設(shè)計(jì)的預(yù)期指標(biāo)［7］。因此為使得設(shè)計(jì)的低噪聲放大器能夠具有穩(wěn)定的性能，通常需要選擇一個(gè)低靈敏度電路，以減小元器件參數(shù)變化對(duì)放大器性能的影響。因此，靈敏度分析對(duì)微波集成電路有很重要意義。

靈敏度定義有絕對(duì)靈敏度與相對(duì)靈敏度兩種形式。設(shè)f是電路特性函數(shù)，它可以是節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流或者一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的增益等，x是電路一個(gè)參數(shù)，如電阻、電容、電感、晶體管的模型參數(shù)等等。定義［8］:

公式(8)為參數(shù)x對(duì)電路特性函數(shù)f的絕對(duì)靈敏度。

公式(9)為參數(shù)x對(duì)電路特性函數(shù)f的一階相對(duì)靈敏度。

公式(10)為參數(shù)x對(duì)電路特性函數(shù)f的n階相對(duì)靈敏度。其中，x0是參數(shù)的標(biāo)稱值，f0是參數(shù)在標(biāo)稱值下的電路特性函數(shù)值。

本文設(shè)計(jì)的放大器的匹配電路采用微帶線設(shè)計(jì)，沒有引入元件參數(shù)，所以主要對(duì)LNA的偏置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)估計(jì)進(jìn)行靈敏度分析，來確保實(shí)際的電路能有穩(wěn)定的特性。

4.2 電路的靈敏度分析

利用ADS軟件的Monte Carlo分析功能［9］對(duì)本文設(shè)計(jì)的LNA一級(jí)電路進(jìn)行靈敏度分析。如圖5所示，將電路中的電阻和電容分別設(shè)置相同的容差，然后仿真他們對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)放大性能的影響，Monte Carlo模擬的次數(shù)為500。

圖5 靈敏度分析仿真模型圖

在各個(gè)參數(shù)未加容差時(shí)的放大特性如圖6(a)所示;C1，C2，C3，C4的容差分別為5%時(shí)的放大特性相同，如圖6(b)所示;漏極直流偏置電阻R1，R2分別為5%容差時(shí)的放大特性如圖6(c)和6(d)所示;柵極直流偏置電阻R3，R4分別為5%容差時(shí)的放大特性，如圖6(e)和6(f)所示。

時(shí)，對(duì)放大特性基本沒有影響。漏極直流偏置電阻R1和R2容差分別為5%時(shí)，放大特性有了一定的抖動(dòng)，并且頻率低的抖動(dòng)程度高，選取10.5GHz點(diǎn)觀察，其放大特性大部分分布在在10.4～10.65dB之間。柵極偏置電阻R3和R4容差分別為5%時(shí)，放大特性也有抖動(dòng)，但其程度較小，并且比較均勻，其抖動(dòng)大部分分步在10.48～10.52dB之間。由分析可以看出，作為漏極偏置的電阻R1、R2對(duì)于電路靈敏度影響相對(duì)較大，因此在元器件選擇和布局時(shí)，對(duì)于高靈敏參數(shù)元件，應(yīng)仔細(xì)選擇和考慮。

5 結(jié)束語

本文采用ATF36163的仿真模型設(shè)計(jì)出一款工作在中心頻率為10.5GHz的低噪聲放大器。并詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)的具體流程和方法，充分利用ADS仿真軟件的各項(xiàng)功能對(duì)低噪聲放大器進(jìn)行優(yōu)化仿真，最終設(shè)計(jì)出有著低噪聲系數(shù)，高增益，良好輸入輸出駐波比的低噪聲放大器。同時(shí)，通過對(duì)放大器元件參數(shù)的靈敏度分析，給出了低噪聲放大器設(shè)計(jì)中電容電阻選擇的一些建議，對(duì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)加工具有一定的指導(dǎo)意義。

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The Design and Sensitivity Analysis of a Low Nosie Amplifier

LIANG Jing-jing，SHEN Fu-gui，LU Gui-zhen
(Communication University of China，School of Information Engineering，Beijing 100024，China)

This paper uses the integrated chips ATF36163 to complete the circuit design，and offers the simulation results with the design，optimizing and simulation of Agilent ADS ，the layout and the measured results.Meanwhile，the sensitivity analysis of the parameters through RF circuit parameter is researched.The results show that the LNA after the sensitivity analysis not only conforms to the specifications of the receiver，but also makes the performance more stable.

low noise amplifier(lna);noise figure;gain;sensitivity analysis

TN722.3

A

1673-4793(2012)02-0064-06

2012-3-19

梁晶晶(1987-)，女(漢族)，河南三門峽人，中國傳媒大學(xué)碩士研究生.Email:liangjingjing@cuc.edu.cn

(責(zé)任編輯

:王 謙)