單邊低噪聲放大器設(shè)計(jì)方案

在接收器應(yīng)用中，信號鏈中的第一個(gè)放大器對整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能起著主導(dǎo)作用。該放大器應(yīng)表現(xiàn)出盡可能低的噪聲系數(shù)，同時(shí)提供可接受的高功率增益。因此，該低噪聲放大器（LNA）的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)同時(shí)考慮增益和噪聲性能。

在本文中，我們將了解如何根據(jù)這些要求設(shè)計(jì)單邊 LNA。首先，我們將探討如何在RF應(yīng)用中指定雙端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲參數(shù)，然后設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)特定增益和特定噪聲水平的單邊放大器。

雙端口網(wǎng)絡(luò)噪聲參數(shù)

正如我在關(guān)于噪聲系數(shù)指標(biāo)的文章中詳細(xì)討論的那樣，電路的輸出噪聲在很大程度上取決于其源阻抗。同時(shí)，連接到源導(dǎo)納YS = GS + jBS的晶體管的噪聲系數(shù)（F）由以下方程給出：

（1）

其中：

Fmin 是器件的最小噪聲系數(shù)

RN 是器件的等效噪聲電阻

Yopt 是最佳源導(dǎo)納

GS 是源導(dǎo)納YS的實(shí)部

從這個(gè)方程可以看出噪聲因數(shù)（F）如何隨著源導(dǎo)納（YS）的變化而變化。觀察到當(dāng)YS = Yopt時(shí)，噪聲系數(shù)減小到其最小值Fmin。

晶體管的量 Fmin、RN 和 Yopt 稱為其噪聲參數(shù)。我們不計(jì)算這些參數(shù)，而是由制造商提供或通過測量獲得。Fmin 有時(shí)以 dB 形式表示為 NFmin，它隨著晶體管的偏置點(diǎn)、溫度和工作頻率而變化。參數(shù) RN 是一個(gè)敏感性因子，顯示了當(dāng)源導(dǎo)納偏離 Yopt 時(shí)噪聲系數(shù)增加的速度。

在低頻時(shí)，Yopt是實(shí)數(shù)，但對于大多數(shù)有源器件，在50到100 MHz以上，它變?yōu)閺?fù)數(shù)值。對于任何給定的雙端口網(wǎng)絡(luò)，我們可以找到一個(gè)Yopt值，使噪聲因數(shù)最小化。請注意，方程式中沒有S參數(shù)。事實(shí)上，器件的S參數(shù)并不提供有關(guān)其噪聲性能的任何信息。

如前所述，F(xiàn)是噪聲因數(shù)，以線性形式表示。噪聲指數(shù)，簡稱NF，是將噪聲系數(shù)轉(zhuǎn)換為分貝表示的值。因此，F(xiàn)和NF之間的關(guān)系可以表示為：

（2）

在實(shí)踐中，確定噪聲系數(shù)與源阻抗的依賴關(guān)系需要專門的噪聲測量設(shè)備。這種設(shè)備使用支路調(diào)諧器向器件施加一系列復(fù)雜阻抗，并對這些測量結(jié)果進(jìn)行分析，以在ΓS平面上生成等NF圓。

圖1顯示了一個(gè)假設(shè)設(shè)備的等NF圓。我們很快將更詳細(xì)地討論，這些圓。

圖1

請注意，常見的噪聲系數(shù)分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀無法生成這些等噪聲系數(shù)圓。

噪聲系數(shù)另一種表達(dá)方式

上面介紹的參數(shù)RN也可以指定為導(dǎo)納項(xiàng)， GN=1/RN 。此外，可以通過指定等效最佳源阻抗（Zopt=1/Yopt）或其相關(guān)的最佳源反射系數(shù)（Γopt）來解決公式，而不是指定最佳導(dǎo)納。參數(shù)Yopt和Γopt之間有以下關(guān)系式：

（3）

利用Γopt參數(shù)，方程1也可以表示為：

（4）

請注意，放大器的負(fù)載反射系數(shù)(ΓL)在公式4中并不出現(xiàn)。從這可以看出，輸出匹配對噪聲系數(shù)沒有任何影響。然而，匹配的輸出可以提供更多增益并減少后續(xù)級別的噪聲影響。

一般來說，放大器的增益和噪聲性能之間存在權(quán)衡——在最大增益處無法實(shí)現(xiàn)最小噪聲。

繪制等NF圓

為了繪制給定的噪聲系數(shù)（F）的NF圓，我們首先找到噪聲系數(shù)參數(shù)（N）。這由以下公式給出：

（5）

NF圓的中心（cF）由以下公式給出：

（6）

半徑（rF）:

(7)

為了鞏固這些概念，讓我們通過一個(gè)例子來加深理解。

例子1：繪制噪聲系數(shù)圓

假設(shè)對于具有以下S參數(shù)的晶體管，Z0 = 50 Ω，f = 1.4 GHz：

該器件的噪聲參數(shù)如下：

最小噪聲系數(shù)（NFmin）= 1.6 dB

最佳源反射系數(shù)（Γopt）= 0.5 ∠ 130 度

等效噪聲電阻（RN）= 20 Ω

讓我們?yōu)檫@個(gè)晶體管在NF = 2 dB、2.5 dB 和 3 dB處繪制常數(shù)NF圓。表2總結(jié)了所需的計(jì)算。請注意，我們的方程使用F而不是NF，所以我們不能直接將噪聲指數(shù)值插入方程中。相反，我們必須將它們從分貝測量轉(zhuǎn)換為噪聲系數(shù)所表示的線性項(xiàng)。

噪聲系數(shù)圓：

圖2

請注意，噪聲圓的中心位于從Smith圖的中心到點(diǎn)Γopt的直線上（參見公式6）。在Γopt處，我們獲得NFmin = 1.6 dB，噪聲圓會變成一個(gè)單點(diǎn)。隨著噪聲指數(shù)的增加，圓的中心會向原點(diǎn)移動，其半徑變大。

設(shè)計(jì)單邊射頻放大器以實(shí)現(xiàn)增益和噪聲的平衡

NF圓被繪制在ΓS平面上，可用于找到給定噪聲系數(shù)的適當(dāng)源終端。為了同時(shí)考慮噪聲和增益，我們還需要在ΓS平面上繪制等增益圓。對于單邊設(shè)備來說，這是直接的，因?yàn)檩斎牒洼敵銎ヅ洳糠值脑鲆媸窍嗷オ?dú)立的。

根據(jù)先前示例中使用的晶體管，讓我們設(shè)計(jì)一個(gè)具有最大可能增益的放大器，其噪聲系數(shù)為2.5 dB。晶體管的S12很小，這表明它可能被視為單邊的。應(yīng)用單邊特性的優(yōu)良指標(biāo)（U），我們可以得到：

（8）

由于U小于0.1，我們立即知道單邊方法的誤差小于±1 dB。因此，可以應(yīng)用單邊方法。我們還可以計(jì)算單邊近似的誤差界限的確切值。這個(gè)計(jì)算結(jié)果是：

（9）

這意味著我們應(yīng)該期望在最終設(shè)計(jì)中實(shí)際增益的誤差小于約±0.35 dB。

接下來，我們確定GS,max，即單邊器件輸入匹配部分的最大可能增益：

（10）

這相當(dāng)于1.46 dB。

這使我們能夠選擇適當(dāng)?shù)脑鲆鎴A的數(shù)值。在這個(gè)例子中，我隨意選擇了繪制GS = 0.5、1、1.28 和 1.4 dB圓。這些常數(shù)增益圓的中心和半徑如下表所示。

圖3繪制了這些圓和NF = 2.5 dB圓在ΓS平面上的示意圖。

圖3

GS = 1.28 dB的增益圓只在ΓS = 0.45 ∠ 169.17 度處與NF = 2.5 dB圓相交。任何更高的GS值都會將我們遠(yuǎn)離Γopt，導(dǎo)致更大的噪聲系數(shù)。

對于輸出部分，我們選擇共軛匹配以最大化增益。這導(dǎo)致：

（11）

（12）

這相當(dāng)于1.96 dB。

總增益計(jì)算如下：

（13）

在上述公式中，G0 = |S21|2。這是晶體管的基本基于Z0的轉(zhuǎn)換器功率增益。

接下來，我們使用阻抗 Smith圖來設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。對于輸入匹配部分，我們在圖4的Smith圖中定位ΓS，并通過沿著恒定|ΓS|圓的180度旋轉(zhuǎn)找到其關(guān)聯(lián)的歸一化導(dǎo)納（yS）

圖4

從現(xiàn)在開始，我們用導(dǎo)納 Smith圖。我們希望設(shè)計(jì)一個(gè)電路，將我們從位于50Ω終端的圖表中心帶到y(tǒng)S。恒定|ΓS|圓與1 + jb圓的交點(diǎn)被標(biāo)記為點(diǎn)A，其感抗大約為j1。

在設(shè)計(jì)兩端口網(wǎng)絡(luò)的輸入匹配部分時(shí)，我們在50Ω終端上添加了一個(gè)長度為l1 = 0.125λ的并聯(lián)開路支路，以得到一個(gè)感抗為j1。然后，我們添加一個(gè)長度為l2 = 0.103λ的串聯(lián)線，沿著恒定|ΓS|圓移動到y(tǒng)S。

輸出匹配部分可以用類似的方式設(shè)計(jì)。如圖5所示，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)長度為l3 = 0.157λ的開路支路和一個(gè)長度為l4 = 0.243λ的串聯(lián)線。

圖5

最終的LNA的設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示

圖6

向 Touchstone 文件添加噪聲參數(shù)

正如我們在最近關(guān)于射頻放大器穩(wěn)定技術(shù)的文章中學(xué)到的那樣，Touchstone（.s2p）文件格式通常用于射頻設(shè)計(jì)軟件中指定兩端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。下圖顯示了圖6中放大器的S參數(shù)的.s2p文件。盡管這是可選的，但噪聲參數(shù)也包含在文件的末尾。

回想一下，以#符號開頭的選項(xiàng)行包含頭部信息。這個(gè)頭部信息指定了頻率單位和S參數(shù)的數(shù)據(jù)格式。選項(xiàng)行中的“R 50”一詞表示S參數(shù)的負(fù)載終端電阻為50Ω。以！符號開頭的行是注釋行。

正如你所見，噪聲參數(shù)沒有單獨(dú)的選項(xiàng)行。為了使模擬器能夠區(qū)分S參數(shù)數(shù)據(jù)的結(jié)束位置和噪聲數(shù)據(jù)的開始位置，噪聲參數(shù)的第一個(gè)頻率必須小于或等于S參數(shù)的最高頻率。

噪聲信息的數(shù)據(jù)格式如下：

第一列指定頻率（1400 MHz）。第二列給出最小噪聲系數(shù)（1.6 dB）。接下來的兩列給出最佳反射系數(shù)的幅度和相位（Γopt = 0.5 ∠ 130度）。最后一列是有效噪聲電阻（RN = 20Ω），將其歸一化到我們在選項(xiàng)行中定義的系統(tǒng)阻抗。

將上述.s2p文件鏈接到Pathwave ADS中的s2p組件，我們可以分析系統(tǒng)的增益和噪聲性能。我們生成的Pathwave ADS原理圖如圖7所示。

圖7

請注意，仿真溫度設(shè)置為16.85°C，確保噪聲系數(shù)測量與IEEE噪聲系數(shù)定義保持一致。計(jì)算分析顯示，我們設(shè)計(jì)的電路增益為12.466 dB，噪聲系數(shù)為2.522 dB。這些數(shù)字與我們的設(shè)計(jì)規(guī)格非常接近，可以接受。

來源： 本文轉(zhuǎn)載自射頻小館公眾號

審核編輯：湯梓紅