基于ADS寬帶微波低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真

馬翠紅 靳偉超 陳宇擎 楊友良

摘 ?要： 文章主要研究低噪聲放大器在寬頻帶范圍內(nèi)增益平坦度低、阻抗匹配差的問(wèn)題。選用Avago公司生產(chǎn)的具有高動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲特性的PHEMT器件ATF?38143晶體管，采用自給偏置共源，負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，基于ADS仿真設(shè)計(jì)完成一款兩級(jí)級(jí)聯(lián)的寬帶低噪聲放大器。該放大器利用源極串聯(lián)反饋電感和輸入端接雙支節(jié)微帶線的匹配方法。仿真結(jié)果顯示放大器在1.0～3.0 GHz的頻帶范圍內(nèi)，輸入輸出回波損耗均小于-10 dB;系統(tǒng)穩(wěn)定性因子[K>1];噪聲系數(shù)為（1.6±0.4） dB;最大增益為26.5 dB，增益平坦度縮小到±0.5 dB。

關(guān)鍵詞： 低噪聲放大器; ADS; 負(fù)反饋; 自偏置; 共源級(jí)聯(lián); 阻抗匹配; 增益平坦度

中圖分類號(hào)： TN722.3?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）15?0170?05

Design and simulation of broadband microwave low?noise amplifier based on ADS

MA Cuihong， JIN Weichao， CHEN Yuqing， YANG Youliang

（College of Electrical Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China）

Abstract： The low gain flatness and poor impedance matching of a low noise amplifier working in a wide frequency band are studied. A two?stage cascaded broadband low?noise amplifier was designed and realized based on ADS simulation software， in which Avago Company′s ATF?38143 transistor of PHEMT device with high dynamic range and low?noise characteristic was used， and a self?biased common source and negative feedback structure were adopted. The matching method of a source?series feedback inductor and the input?terminal connecting a two?node microstrip line is used in the amplifier. The simulation results show that， in the frequency band of 1.0～3.0 GHz， the amplifier′s input and output return loss of is less than ?10 dB， system stability factor [K>1]， noise figure is 1.6±0.4 dB， maximum gain is 26.5 dB， gain flatness is reduced to ±0.5 dB.

Keywords： Amplifier ADS Negative feedback; self?bias; common source cascade; impedance matching; gain flatness

0 ?引 ?言

低噪聲放大器作為射頻通信接收系統(tǒng)的第一級(jí)有源電路，其性能直接決定整個(gè)系統(tǒng)的特性。對(duì)于寬帶低噪聲放大器電路來(lái)說(shuō)，因晶體管的[S]參數(shù)在工作頻帶內(nèi)會(huì)發(fā)生很大的變化，且輸入輸出端口的回波損耗系數(shù)大于-10 dB;同時(shí)，隨著工作頻率的升高，正向功率增益也會(huì)以6 dB/倍頻程的速率快速衰減，另一方面因?yàn)榧纳娙萦绊?，尤其?dāng)晶體管工作在高頻段其增益存在逐漸下降的特性[1]，因此寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于寬頻帶內(nèi)同時(shí)保證高的正向增益即增益平坦度。

目前，針對(duì)寬帶低噪聲放大器已經(jīng)設(shè)計(jì)提出如濾波匹配、分布式、共柵輸入、負(fù)反饋[2?5]等多種電路結(jié)構(gòu)。其中，負(fù)反饋結(jié)構(gòu)在寬頻帶內(nèi)具有穩(wěn)定系數(shù)高、非線性失真小、增益平坦等優(yōu)點(diǎn)，另外，負(fù)反饋也可被用來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶內(nèi)較好的阻抗匹配。但在寬帶應(yīng)用中，仍有其局限性[6]。因該結(jié)構(gòu)是以犧牲放大器的增益來(lái)獲得帶寬的，自身噪聲、帶寬和增益之間存在折中，對(duì)下級(jí)電路的噪聲也不能起到很好的抑制作用。

在電流一定的情況下，要想增加環(huán)路增益，一方面，可以增加反饋電阻，此時(shí)寬帶阻抗匹配變差，且電路失真增大;另一方面，可以通過(guò)增加晶體管寬長(zhǎng)比來(lái)提高跨導(dǎo)，但大尺寸管的寄生電容較大，密勒效應(yīng)加強(qiáng)，也會(huì)限制帶寬。

為此有許多文獻(xiàn)提出改進(jìn)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)方法，文獻(xiàn)[7]在兩級(jí)放大器中均利用變壓器形成負(fù)反饋，該結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了負(fù)反饋結(jié)構(gòu)反向隔離差的特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增益平坦度易受外界干擾。文獻(xiàn)[8]在輸入端增加了RLC匹配網(wǎng)絡(luò)，在前后兩級(jí)之間進(jìn)行增益補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)寬帶匹配和增益平穩(wěn)。

因串入電阻附加了功率損耗，增加了系統(tǒng)總的熱噪聲。在此基礎(chǔ)上本文以自偏置共源放大器為基礎(chǔ)，加入漏柵極間并聯(lián)負(fù)反饋優(yōu)化增益平坦度和源極?GND的串聯(lián)負(fù)反饋改善阻抗匹配，采用微帶線匹配方法。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、低噪聲的前提下，提高功率增益，改善增益平坦度，并給出電路設(shè)計(jì)原理分析和仿真結(jié)構(gòu)。

1 ?寬帶低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)

寬帶低噪聲放大器由兩級(jí)共源負(fù)反饋放大器級(jí)聯(lián)組成，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?兩級(jí)寬帶低噪聲放大器結(jié)構(gòu)圖

寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)要求如下：

工作頻帶范圍為1.0～3.0 GHz;直流電壓[Vdd=]5 V;系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF<2.5 dB;增益[G>]25 dB;增益平坦度為±1 dB;輸入回波損耗[S11<]-10 dB。

1.1 ?偏置電路

參考ATF?38143的DateSheet參數(shù)文件選取晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)，當(dāng)工作頻率為2 GHz，晶體管漏極偏壓設(shè)置為2 V，漏極電流處于20～50 mA之間時(shí)，其最大增益超過(guò)17 dB，且增益平坦，噪聲系數(shù)小于0.4。利用ADS直流仿真控件對(duì)其進(jìn)行直流仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

靜態(tài)工作點(diǎn)[m1]處漏極偏壓[Vds]為2 V，柵極偏壓[Vgs]約為-0.44 V，漏極電流[Ids]為25 mA。晶體管的工作狀態(tài)處在截止區(qū)和飽和區(qū)的交界范圍，電壓和電流相對(duì)較小，適合于設(shè)計(jì)低噪聲小功率的放大電路。

圖2 ?直流仿真結(jié)果

當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，在[Idss]附近漏極電流[Ids]與柵源極間偏壓[Vgs]呈線性變化關(guān)系，即使柵極偏壓為0 V，晶體管也能正常工作。為獲得柵源極間所需的負(fù)偏壓，選用較大阻值的柵極電阻[Rg]（500 Ω），將柵極電壓偏置為GND電平，此外，[Rg]為柵極偏壓提供通路，瀉放柵極積累的電荷，提高穩(wěn)定性;另一方面，源極電阻[Rs]為管芯提供瞬態(tài)保護(hù)。此時(shí)柵極通過(guò)[Rg]直流接地電壓是0 V，而源極電壓為正，從而獲得柵源極間負(fù)的偏置電壓。

可以近似地認(rèn)為源極電壓[Vs]的值等于[Vgs]的值，[Vs]決定于漏極電流[Id]和源極電阻[Rs]，因此漏極電流的變化會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)柵源極間的偏壓，從而保證器件靜態(tài)工作狀態(tài)的穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 ?直流自給偏置電路

分析共源結(jié)構(gòu)和源極負(fù)反饋晶體管的小信號(hào)模型，因各極（G，S，D）與襯底（B）間電容（[Cgb]，[Csb]，[Cdb]）值遠(yuǎn)小于晶體管的極間電容，在此忽略它們?？芍礃O電阻[Rs]與輸入阻抗[Zin]的變化關(guān)系如下：

由跨導(dǎo)式（2）可知，增益大小與源極電阻[Rs]成反比，如果為了提高放大倍數(shù)而過(guò)分的減小[Rs]，將會(huì)破壞放大電路各端口間的直流電位關(guān)系。導(dǎo)致最大輸出振幅下降，直流偏置的溫度穩(wěn)定性變差。為了在提高交流增益的同時(shí)不影響各部分間的直流電位關(guān)系，如圖3所示，將源極電阻[Rs]并聯(lián)電容[Cs]，這樣在不影響直流電位關(guān)系的情況下，減小了源極與GND間的交流阻抗，提高了系統(tǒng)的交流增益。

分析共源結(jié)構(gòu)晶體管的輸入端等效電路，可以得出源極串聯(lián)反饋電感[Ls]與輸入阻抗的關(guān)系：

因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)[Rs]和[Ls]更加靈活地實(shí)現(xiàn)與信號(hào)源（50 Ω）的輸入阻抗匹配，縮小最佳噪聲阻抗和端口阻抗的差異，改善系統(tǒng)噪聲和增益特性。

由穩(wěn)定性式（4）可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與[S]參數(shù)相關(guān)，[S]參數(shù)要求端口使用匹配負(fù)載，源極電感[Ls]通過(guò)改變輸入阻抗達(dá)到匹配，進(jìn)而對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率傳輸、降低噪聲等都有一定的作用。對(duì)于工作頻率達(dá)到GHz的射頻集成電路來(lái)說(shuō)，[Ls]線圈選取大約半圈到兩圈。通過(guò)仿真對(duì)比1～6 nH電感對(duì)穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，電感值越大對(duì)低頻部分的穩(wěn)定性提高越明顯，但高頻特性有所下降，另外，考慮到設(shè)計(jì)尺寸電感不應(yīng)選取太大，本文選取1.5 nH電感。系統(tǒng)穩(wěn)定性因子在1.0～3.0 GHz頻帶范圍內(nèi)均大于1，如圖4所示。

圖4 ?源級(jí)電感負(fù)反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

1.2 ?匹配網(wǎng)絡(luò)

電壓和功率反射都是因?yàn)樵椿蜇?fù)載阻抗不匹配而產(chǎn)生的，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)附加失真與干擾，導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，功率損耗增大。假設(shè)源與負(fù)載的功率反射系數(shù)全為0，分析在沒(méi)有反射的情況下系統(tǒng)的傳輸功率：

由分析結(jié)果可知，通過(guò)阻抗共軛匹配可以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

源極串聯(lián)電感，電阻可以改變其輸入阻抗，但是源極電阻值決定了晶體管的靜態(tài)特性，不能隨意地改變大小。通過(guò)改變電感值，在保證系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定的條件下，增大系統(tǒng)輸入阻抗。品質(zhì)因數(shù)[Q]與系統(tǒng)帶寬成反比，其越大帶寬越窄。其值為等效串聯(lián)阻抗的虛部電抗與實(shí)部阻抗之比。因此可以通過(guò)增大輸入阻抗實(shí)部，減小輸入阻抗虛部來(lái)減小[Q]值進(jìn)而增大帶寬。

本文選用介電常數(shù)為3.6的Rogers4350B，特性阻抗為50 Ω的微帶線。采用微帶線雙支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，其中的串聯(lián)微帶線用來(lái)增大輸入阻抗實(shí)部，通過(guò)改變雙支節(jié)的長(zhǎng)度，靈活地抵消輸入阻抗的虛部。利用ADS自帶的設(shè)計(jì)向?qū)c優(yōu)化控件設(shè)置微帶線的長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到阻抗匹配的目的。

系統(tǒng)等增益圓的最小噪聲點(diǎn)和等噪聲系數(shù)圓的最大增益點(diǎn)位置不同。最小噪聲阻抗匹配與最大增益阻抗匹配不能同時(shí)達(dá)到，只能在保證噪聲系數(shù)小于2 dB的前提下，滿足較高的增益阻抗點(diǎn)進(jìn)行折中匹配。觀察對(duì)比圖5匹配前后最小噪聲點(diǎn)與最大增益點(diǎn)間的距離被拉近且距離史密斯圓圖中心（50 Ω）的距離也相對(duì)縮短。

由圖6輸入匹配后的特性參數(shù)可以直觀地看到，在低頻端時(shí)增益較高達(dá)到19 dB。隨著工作頻率的提升，3 GHz時(shí)增益降至6 dB衰減了大約13 dB，寬頻帶內(nèi)增益平坦度差。輸入電壓反射系數(shù)[S11]只在2.5 GHz左右小于-10 dB，不滿足帶寬要求。

2 ?負(fù)反饋結(jié)構(gòu)

反饋電路平衡晶體管高低頻段的功率增益，將放大器輸出端部分能量耦合反饋到放大器的輸入端，由于柵極輸入與漏極輸出電壓相位相反，反饋能量的相位與輸入能量的相位反向，因而降低低頻增益，補(bǔ)償高頻增益，實(shí)現(xiàn)增益隨頻率升高緩慢下降的特征，很好地改善放大器的增益平坦度。同時(shí)，在不添加損耗性器件的前提下，放大器的穩(wěn)定性得到提高。該電路結(jié)構(gòu)也可優(yōu)化放大器的端口阻抗，并聯(lián)反饋電路，使共源結(jié)構(gòu)輸入端較大的阻抗值降低，接近信號(hào)源負(fù)載。

圖5 ?工作頻率在2.5 GHz時(shí)匹配前后等增益圓與等噪聲圓

圖6 ?輸入端口匹配后增益[S21]與電壓反射系數(shù)[S11]

反饋電路主要由反饋電阻、反饋電容和反饋電感三個(gè)元件組成，如圖7所示。

確定電路結(jié)構(gòu)和晶體管型號(hào)后，反饋能量的大小取決于反饋電阻、反饋電容主要起隔直的作用，避免放大器漏極和柵極發(fā)生串?dāng)_;反饋電感相當(dāng)于一個(gè)調(diào)節(jié)器件，對(duì)于高頻能量阻礙強(qiáng)于低頻能量，可以調(diào)節(jié)整體的增益平坦度。

圖7 ?負(fù)反饋放大器結(jié)構(gòu)

考慮到在高頻段時(shí)晶體管的寄生阻抗對(duì)系統(tǒng)影響明顯，添加反饋電感用來(lái)減小反饋環(huán)在高頻段的反饋量，使反饋電阻所帶來(lái)的正向增益在高頻段衰減的附加影響得以補(bǔ)償。

為了增加系統(tǒng)增益，將單級(jí)負(fù)反饋放大器級(jí)聯(lián)。設(shè)計(jì)中間級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)前級(jí)放大電路輸出阻抗與后級(jí)放大電路輸入阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，改善增益平坦度。

在兩級(jí)之間添加隔直電容，濾除前級(jí)輸出信號(hào)的直流成分，保證下一級(jí)輸入信號(hào)為純射頻信號(hào)。利用ADS的史密斯圓圖匹配法，采用微帶線雙支節(jié)匹配，匹配后系統(tǒng)輸入阻抗匹配仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 ?級(jí)聯(lián)后輸入端口[S11]史密斯環(huán)

史密斯圓圖上阻抗軌跡不再是單一的阻抗點(diǎn)，而是一條對(duì)應(yīng)整個(gè)工作帶寬上所有頻率的阻抗線段，顯然這條阻抗線段環(huán)繞史密斯圓圖的中心，即靠近50 Ω信源阻抗點(diǎn)，處于較好的阻抗匹配狀態(tài)。把[S11]等于-10 dB的回波損耗分界線作為判別標(biāo)準(zhǔn)（黑色虛線圓圈）。阻抗的整個(gè)線條軌跡都處于分界圓內(nèi)小于-10 dB，說(shuō)明在1.0～3.0 GHz的工作頻帶內(nèi)的阻抗都實(shí)現(xiàn)了較好的匹配。圖9和圖10的笛卡爾坐標(biāo)給出了寬帶阻抗匹配后更直觀的說(shuō)明，輸入電壓反射系數(shù)[S11]在1.0～3.0 GHz寬帶范圍內(nèi)均小于-10 dB。增益[S21]在寬帶范圍內(nèi)大于26 dB，增益平坦度小于±0.5 dB。

圖9 ?級(jí)聯(lián)后輸入端口[S11]笛卡爾坐標(biāo)

圖10 ?級(jí)聯(lián)后系統(tǒng)增益[S21]笛卡爾坐標(biāo)

系統(tǒng)噪聲和最小噪聲在頻帶寬度內(nèi)都處于1～2.5 dB之間，噪聲較低，且最大偏差為0.23 dB，如圖11所示。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文研究寬帶低噪聲放大器增益平坦度低，阻抗匹配差的問(wèn)題。選用PHEMT晶體管ATF?38143，以共源自偏置放大電路為基礎(chǔ)，采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)，負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，基于ADS仿真軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，結(jié)合晶體管的參數(shù)特性，從偏置電路原理開(kāi)始逐個(gè)分析元件對(duì)系統(tǒng)的影響，采用微帶線寬帶匹配方法達(dá)到阻抗匹配。仿真結(jié)果顯示該放大器在1.0～3.0 GHz的頻帶范圍內(nèi)的噪聲系數(shù)小于2 dB，增益大于26 dB且增益平坦度在±0.5 dB之間。

圖11 ?兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器系統(tǒng)噪聲

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