周 正,顧天夏
(1.南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院,江蘇南京211167;2.南京外國(guó)語(yǔ)學(xué)校,江蘇南京210008)
從天線(xiàn)接收的微弱信號(hào)由處于射頻接收機(jī)前端的放大器進(jìn)行放大,因此要求該放大器具有一定的增益和較小的噪聲系數(shù)。
本文借助Agilent公司的射頻電路設(shè)計(jì)軟件ADS(Advanced Design System)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)一款高增益低噪聲放大器(LNA),并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
單級(jí)射頻放大器的組成如圖1所示,包括射頻晶體管放大電路和輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)三部分。
圖1 單級(jí)射頻放大器的組成
選擇好晶體管器件對(duì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。根據(jù)工作頻率、增益和噪聲系數(shù)等指標(biāo)要求,同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)、仿真時(shí)便于得到相應(yīng)的元器件模型,最終選用Avago公司的高電子遷移率晶體管(E-PHEMT)ATF-58143來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)(可以在Avago公司的網(wǎng)站上下載到ATF-58143的元件模型)。
設(shè)計(jì)LNA首先需要確定靜態(tài)工作點(diǎn),利用ADS中的“DC_FET_T”的模板可以很方便地仿真出其輸出特性曲線(xiàn)。再參考ATF-58143的datasheet,可以確定當(dāng)Vds=3 V,Ids=35 mA時(shí),各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)滿(mǎn)足要求。
確定靜態(tài)工作點(diǎn)后,就要確定偏置電路的形式和參數(shù)。不需人工計(jì)算,借助ADS中的設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ?DesignGuide→Amplifier→Tools→Transistor Bias Utility)可以輕易完成。因?yàn)锳DS所提供的元件數(shù)值是非標(biāo)稱(chēng)的,所以需要設(shè)計(jì)者用與ADS提供的數(shù)值接近的標(biāo)稱(chēng)元件進(jìn)行替代。偏置電路及各點(diǎn)靜態(tài)參數(shù)如圖2所示。
圖2 偏置電路
晶體管絕對(duì)穩(wěn)定的條件是K>1,|Δ|<1。其中:
如果這兩個(gè)條件不能同時(shí)得到滿(mǎn)足,電路將存在潛在的不穩(wěn)定和振蕩的可能[1]。對(duì)上述偏置條件下的晶體管進(jìn)行穩(wěn)定性仿真分析發(fā)現(xiàn),在要求的工作頻段內(nèi)其穩(wěn)定系數(shù)K<1,不滿(mǎn)足絕對(duì)穩(wěn)定的條件。
通過(guò)引入負(fù)反饋的方式可以改善電路的穩(wěn)定性,同時(shí)也能夠拓展工作帶寬。在輸出端和輸入端之間串聯(lián)RC電路引入負(fù)反饋,其中的 R 需要滿(mǎn)足條件[1][4]:
同時(shí)在兩個(gè)源極加上小的電感引入負(fù)反饋進(jìn)一步改善穩(wěn)定性,該電感的值需反復(fù)調(diào)節(jié)后方能確定。
對(duì)引入負(fù)反饋后的電路再次仿真,其工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)K>1,滿(mǎn)足絕對(duì)穩(wěn)定條件。
如果輸入匹配電路和輸出匹配電路使射頻器件的輸入阻抗Zin和輸出阻抗Zout都轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗Z0,即Zin=Z0,Zout=Z0(或,如圖1所示)就可使器件的傳輸增益最高[2]。但輸入、輸出匹配時(shí),噪聲并非最佳。當(dāng)ΓS=Γopt時(shí),可以得最小的噪聲系數(shù)。
利用ADS可以很方便地繪制出等功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓[3],如圖3所示。從圖中可以看出,如果從m2點(diǎn)匹配到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗,將可以使電路獲得最大的增益;如果從m3點(diǎn)匹配到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗,將可獲得最小的噪聲系數(shù)。顯然最大增益和最小噪聲系數(shù)不可同時(shí)得到。對(duì)于低噪聲放大器,首要的是考慮最小噪聲系數(shù),因此對(duì)m3點(diǎn)進(jìn)行匹配。借用ADS的自帶工具“Smith Chart Utility Tool”進(jìn)行,只要在其中設(shè)置好頻率、源阻抗和目標(biāo)阻抗值,就可以設(shè)計(jì)出所需要的輸入匹配電路。
在輸入端匹配完成以后,在原理圖中加入阻抗測(cè)量控件測(cè)出輸出阻抗,再次使用“Smith Chart Utility Tool”將輸出阻抗匹配到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗,就可得到最大增益的輸出匹配電路。
圖3 等增益圓和等噪聲系數(shù)
圖4 帶有輸入、輸出匹配的最終電路
圖5 仿真結(jié)果
當(dāng)輸出端的匹配完成后,因?yàn)楦淖兞藦妮斎攵讼蚶锟吹牡刃ё杩筞in,輸入端的回波損耗會(huì)變差。為此,可以采用優(yōu)化控件對(duì)輸入端和輸出端的匹配電路進(jìn)行同時(shí)的優(yōu)化改進(jìn),也可以使用Tunig工具進(jìn)行調(diào)節(jié)。
匹配及優(yōu)化后的電路如圖4所示,電路中各元件的作用分別是:C6、L6是輸入匹配電路;C7、L7是輸出匹配電路;L1、L5、C3、R5是反饋元件;L3、L4是扼流電感;C4、C5是隔直耦合電容;C1、C2是旁路電容。
需要說(shuō)明的是,反饋電感L1、L5和匹配電路中的元件C6、L6、C7、L7等因?yàn)閿?shù)值較小,在工程中常用微帶線(xiàn)來(lái)代替。
仿真結(jié)果如圖5所示。其工作帶寬達(dá)500 MHz,中心頻率處增益接近20 dB,輸入輸出反射損耗小于-10 dB,噪聲系數(shù)小于0.5 dB,穩(wěn)定系數(shù)大于1。如果斷開(kāi)反饋電路后再次仿真,會(huì)發(fā)現(xiàn)增益有所加大,但穩(wěn)定系數(shù)將小于1,放大電路將不能正常工作。
通過(guò)射頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真,可以看到使用ADS輔助設(shè)計(jì)電路,理論計(jì)算簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)過(guò)程快速,參數(shù)修改容易,驗(yàn)證方便,縮短了設(shè)計(jì)周期,提高了設(shè)計(jì)精度,在工程中具有實(shí)用價(jià)值。
[1]劉長(zhǎng)軍,黃卡瑪,閆麗萍.射頻通信電路設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.
[2]Matthew M.Radmanesh.Radio Frequency and Microwave Electronics Illustrated[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.
[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]Reinhold Ludwig.RF Circuit Design:Theory and Applications[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.