基于ADS仿真的數(shù)字對講機LNA設(shè)計

陳 超， 張育釗

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

0 引言

無線電對講機是移動通信中的一個重要分支，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，目前，國內(nèi)除了在需要基站支持的集群對講機中采用數(shù)字控制信號外[1]，常規(guī)對講機領(lǐng)域仍基本停留在模擬對講機通信技術(shù)水平。融人了數(shù)字調(diào)頻等現(xiàn)代通信技術(shù)的民用數(shù)字對講機具有抗干擾能力強、語音清晰、易于加密等特點，而且還能提供短信息等附加業(yè)務(wù)[2]。

數(shù)字對講機技術(shù)主要涉及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)，各類標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)通信技術(shù)方面的差異，而射頻系統(tǒng)基本沿用模擬對講機所采用的無線調(diào)頻通信技術(shù)，以利于數(shù)模兼容。射頻系統(tǒng)的性能于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋范圍、頻譜利用率以及帶外譜雜散等指標(biāo)都有很大的影響,從而影響無線通信質(zhì)量。盡管所采用的無線調(diào)頻通信技術(shù)成熟，但在數(shù)字對講機上應(yīng)用仍帶來新的技術(shù)問題。LNA在數(shù)字對講機射頻前端是必不可少的放大電路。合適的LNA選擇，特別是第一級LNA可以大幅度改善接收器的靈敏度，降低數(shù)字對講機的誤碼率。本文針對數(shù)字對講機電路，根據(jù)[3-4],利用ADS輔助設(shè)計出適用于數(shù)字對講機工作頻段的，指標(biāo)為噪聲系數(shù)小于0.8 dB，增益大于15 dB的LNA。

1 低噪聲放大器的設(shè)計理論

圖1是放大器電路原理框圖[5]，其中ΓS表示源反射系數(shù)，ΓL表示負(fù)載反射系數(shù)。不同的ΓS和ΓL將影響放大器的穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、增益、駐波等參數(shù)。設(shè)計放大器的過程就是根據(jù)放大器的S參數(shù)，以及噪聲系數(shù)、增益、駐波等的要求來確定ΓS和ΓL，然后根據(jù)ΓS和ΓL。確定輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖1 放大器二端口網(wǎng)絡(luò)

1.1 放大器的穩(wěn)定性

由于反射波的存在，射頻放大器在某些工作頻率或終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向，不再發(fā)揮放大器的作用[6-7]。對于如圖1的放大器二端口網(wǎng)絡(luò)，如果反射系數(shù)的模大于 1，則反射波的振幅將比入射波的振幅大，這將導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定。因此，放大器穩(wěn)定意味著反射系數(shù)模小于1，即：所以，對穩(wěn)定性參數(shù)有影響的是ΓS，ΓL和放大器的S參量。當(dāng)對于所有的信源ΓS<1和負(fù)載ΓS<1，都可以可以滿足Γin<1，Γout<1時，我們稱為絕對穩(wěn)定條件。在對講機的射頻放大電路設(shè)計中要求放大器在工作頻段內(nèi)絕對穩(wěn)定。為了方便判斷絕對穩(wěn)定條件，我們引入穩(wěn)定性因子 k，絕對穩(wěn)定要求

在電路設(shè)計中，當(dāng)放大器不是處于絕對穩(wěn)定條件下時說明此時 Re(Zin)＜0、 Re(Zout)＜0。我們可以在其不穩(wěn)定的端口增加一個串聯(lián)或并聯(lián)電阻，以保證總輸出和總輸入阻抗為正，而在工程中由于晶體管的耦合效應(yīng)，通常只需加一個端口就可以使輸入和輸出端都達到穩(wěn)定。選用上述任一措施都能使晶體管穩(wěn)定。并且晶體管輸入端加電阻會增加輸入損耗，進而轉(zhuǎn)化為輸出端較大的噪聲指數(shù)，因此一般不在輸入端加電阻，而采用在輸出端加電阻來達到晶體管穩(wěn)定的目的，如圖2所示。

圖2 輸出端穩(wěn)定措施

1.2 放大器的噪聲與增益

對于二端口放大器的噪聲系數(shù)可以表示為：

當(dāng)選定晶體管時，F(xiàn)min、Rn和Γopt是由制造商提供的已知數(shù)，所以F僅由ΓS決定，可以通過調(diào)整SΓ來調(diào)整噪聲系數(shù)F。放大器的低噪聲與放大器的穩(wěn)定性和增益相沖突，例如最小噪聲與最大增益就不能同時達到，因此需要討論噪聲參數(shù)，以便得到最佳設(shè)計。在實際工程設(shè)計中，可以在smith圓圖上畫出等噪聲系數(shù)圓，然后選定合適的ΓS來設(shè)計出輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)能保證晶體管的輸入和輸出端分別實現(xiàn)共軛匹配時，即：

放大器可以實現(xiàn)最大增益。在共軛匹配的狀態(tài)下，晶體管既能從源獲得最大輸入功率，又能輸出給負(fù)載最大功率。但是在實際設(shè)計中，要同時考慮增益點與噪聲系數(shù)，所以往往無法取得最大增益。一般都是在 Smith圓圖下畫出等增益圓和等噪聲，然后取出折中的ΓS和ΓL。值得注意的是，在工程設(shè)計中，有時候忽略晶體管自身反饋的影響，認(rèn)為S12≈0即把晶體管認(rèn)為是單向的，此時：這意味著Γin和Γout彼此獨立，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，可以各自獨立設(shè)計。

2 低噪聲放大器的電路設(shè)計與仿真：

2.1 技術(shù)指標(biāo)

本文設(shè)計的 LNA的主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻段400～470 MHz，工作頻段內(nèi)的噪聲系數(shù) NF小于0.8 dB，增益大于15 dB。

2.2 仿真設(shè)計

（1）器件選擇

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，選用HP公司的AT-41511進行放大器的設(shè)計。該放大器具有噪聲低，線性度好，增益高等優(yōu)點。通過查閱器件的工作手冊[8]，一定的靜態(tài)偏置條件下，AT-41511在400～470 MHz頻段內(nèi)的最小噪聲系數(shù)Fmin小于0.8 dB、增益Gain大于 15 dB，符合設(shè)計要求。選用該三極管的另外一個重要原因是在 ADS自帶的器件庫中已經(jīng)包含了AT-41511的小信號模型，該模型比較精確，能夠提高仿真的準(zhǔn)確性和可信度[9-11]。

（2）靜態(tài)工作點以及偏置電路的確定

通過AT-41511的工作手冊[5]，本設(shè)計選取的直流工作點為：VCE=2.7 V，IC=5 mA。在該直流工作狀態(tài)下，AT-41511的最小噪聲系數(shù)Fmin在工作頻段內(nèi)小于 1 dB。供電電壓Vdc=5 V，具體電路形式如圖3所示。

圖3 LNA的偏置電路

（3）穩(wěn)定性分析

根據(jù)放大器穩(wěn)定的充要條件，直接用ADS控件測出此偏置電路的穩(wěn)定系數(shù)stab_source、stab_load、K，此時放大器穩(wěn)定系數(shù)在工作頻段并不大于1，不是絕對穩(wěn)定的。

通過在放大器的 E級加入反饋網(wǎng)絡(luò) LCOL,RCOL,CCOL來改善電路的穩(wěn)定性。通過ADS優(yōu)化控件設(shè)置期望得到的穩(wěn)定性系數(shù)在工作頻段內(nèi)大于1，從而得出反饋網(wǎng)絡(luò)3個器件的具體值，LCOL= 15nH，RCOL=15R,CCOL=1000pF。加入反饋網(wǎng)絡(luò)的電路如圖4所示，此時在對穩(wěn)定系數(shù)進行仿真可以看出此時電路已經(jīng)達到絕對穩(wěn)定的條件，如圖5所示。

圖4 加入反饋網(wǎng)絡(luò)改善穩(wěn)定性

圖5 加入反饋網(wǎng)絡(luò)后的穩(wěn)定系數(shù)

（4）匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

LNA最主要的指標(biāo)是噪聲系數(shù)，在保證噪聲系數(shù)達到指標(biāo)要求的情況下盡可能地提高電路的增益，利用ADS可以避免繁雜的運算直接在同一張smith圓圖上表示出電路在工作頻段中點 450Mh的輸入端等功率增益圓和噪聲系數(shù)圓，如圖6示，其中m1表示等增益圓的圓心，m6表示噪聲系數(shù)圓的圓心。選擇盡可能靠近m6的點m3作為 Γs= Z0×（ 0.758 +j *0.568），從而LC輸入匹配電路如圖7所示。

圖6 輸入等增益圓和噪聲系數(shù)圓

圖7 輸入匹配電路

加入輸入匹配電路后整個電路噪聲仿真后nf(2)=0.744，如圖8所示。而ΓL與噪聲系數(shù)無關(guān)，利用 ADS控件測出電路的輸出阻抗為 42.094+j×21.723，為了得到最大增益，需要把50R匹配到輸出阻抗42.094+j×21.723，則輸出匹配電路如圖9所示。

圖8 加入輸入匹配網(wǎng)絡(luò)后的電路噪聲

圖9 輸出匹配電路

最后把器件值換成實際值后的電路圖如圖10。對該電路進行仿真，該電路在工作頻段內(nèi)的噪聲系數(shù)小于0.8 dB，增益大于15 dB，符合設(shè)計要求。

圖10 加入輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)后的電路

圖11 電路的噪聲系數(shù)

圖12 電路的增益

3 結(jié)語

仿真結(jié)果可知，所設(shè)計的LNA在頻帶400～470 MHz工作時，增益大于15 dB，噪聲系數(shù)小于0.8 dB，并且在對講機工作頻率范圍內(nèi)絕對穩(wěn)定，所有指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。該設(shè)計對于LNA的設(shè)計研究有著一定的參考價值。

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