低噪聲放大器的設計流程論述

隨著技術與工藝的提高，通信系統(tǒng)中限制通信距離的因素已不是信號的微弱程度，而是噪聲干擾的程度?？朔肼暩蓴_是設計電子設備必須考慮的問題。從廣義上來講。噪聲是指設計中不需要的干擾信號，然而各種各樣的通信信號通常是以電波形式傳播，因此，接收有用信號的同時，不可避免地混入各種無用信號。即便是采取濾波、屏蔽等方法，還是會有或多或少無用的信號滲入到接收信道中，干擾后續(xù)信號處理。在改善外部干擾的同時，還需充分發(fā)揮設計人員的主觀能動性，即就是從接收機內(nèi)部降低設備自身干擾，主要是采用低噪聲放大器來實現(xiàn)。因此，這里提出一種低噪聲放大器的設計方案。

1 低噪聲放大器技術指標與設計原則

1．1 主要技術指標

低噪聲放大器的主要技術指標包括：噪聲系數(shù)、功率增益、輸入輸出駐波比、反射系數(shù)和動態(tài)范圍等。由于設計低噪聲放大器時，在兼顧其他各指標的同時，主要考慮噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)是信號通過放大器（或微波器件）后，由于放大器（或微波器件）產(chǎn)生噪聲使得信噪比變壞。信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)，通常用NF表示。放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度表示。噪聲溫度與噪聲系數(shù)NF的關系

式中，T0為環(huán)境溫度，通常以絕對溫度為單位，293 K，注意：這里的噪聲系數(shù)NF并非以dB為單位。

對于單級放大器，噪聲系數(shù)的計算公式為

式中，NFmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，由晶體管本身決定；Γout、Rn、Гs分別為獲得NFmin時的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、晶體管輸入端的源反射系數(shù)。

而多級放大器噪聲系數(shù)的計算公式為

式中，NF總為放大器整機噪聲系數(shù)；NF1、NF2、NF3分別為第1，2，3級的噪聲系數(shù)；G1、G2分別為第1，2級功率增益。

從式（3）看出，當前級增益G1和G2足夠大時，整機的噪聲系數(shù)接近第l級的噪聲系數(shù)。因此多級放大器中，第1級的噪聲系數(shù)大小起決定作用。

1．2 設計原則

1．2．1 晶體管的選取

射頻電路中低噪聲晶體管的主要技術指標為：高增益、低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍。現(xiàn)階段雙極型低噪聲管的工作頻率可達到幾十吉赫茲，噪聲系數(shù)為幾分貝，砷化鎵小信號場效應管的工作頻率更高，并且噪聲系數(shù)可達1 dB以下。

在選取低噪聲晶體管時，通常遵循以下2個原則：1）微波低噪聲晶體管的噪聲系數(shù)足夠小，工作頻段足夠高，一般情況下所選擇的晶體管的fT要比其工作頻率高4倍以上；2）所選的微波低噪聲晶體管要有足夠高的增益與足夠大的動態(tài)范圍。通常要求放大器的工作增益大于10dB，當輸入信號達到系統(tǒng)最大值時，由放大器非線性引起的交調(diào)分量小于系統(tǒng)基底噪聲。

1．2．2 電路設計原則

這里的電路設計原則實際就是輸入輸出匹配電路的設計原則。首先，輸入匹配電路的設計原則是：在優(yōu)先滿足最小噪聲的前提下，提高電路增益。也就是根據(jù)輸入等增益圓與等噪聲圓選取合適的Гout。如圖l所示，通常要求Zout=Zopt，Гout=Гopt。其次，輸出匹配電路的基本任務是把微波管復數(shù)輸出阻抗匹配到負載實數(shù)阻抗50 Ω。輸出匹配電路主要是提高增益高，因此所設計的輸出匹配電路在Zin=ZT*成立才能夠?qū)崿F(xiàn)其任務。再者，放大器設計必須使得所設計的放大器是穩(wěn)定的，也就是需要滿足穩(wěn)定性條件。最后，在滿足指標的同時，重點考慮工藝和結(jié)構(gòu)上的可實現(xiàn)性。工藝上應選擇損耗小、易于加工、性質(zhì)穩(wěn)定、材料的物理（厚度）和電氣性能（介電常數(shù)）均勻，同時表面光潔度達到一定要求的印制板。對于基板材料方面FR-4（介電常數(shù)4～5之間）與氧化鋁陶瓷是常用的微波基板。在PCB布板時還需考慮鄰近相關電路的影響。此外應注意濾波、接地和外電路設計中電磁兼容設計原則。

2 低噪聲放大器設計步驟

該設計是借助于功能強大的射頻電路設計與仿真軟件ADS進行設計的。這里所設計的低噪聲放大器是一個結(jié)構(gòu)最簡單的單級低噪聲放大器，旨在簡單明了說明使用計算機輔助設計軟件快速設計低噪聲放大器。

2．1 指標要求

為了清楚說明該低噪聲放大器的設計過程，其設計指標并不是很高，具體如下：頻率范圍為2～2．2 GHz；增益G大于15 dB：噪聲系數(shù)NF小于1 dB；工作電壓為5 V；工作電流小于150 mA：輸入輸出駐波比VSWR小于1．5；輸入輸出的阻抗為50 Ω；RF信號接頭為SMA；外形尺寸為43 mmx26 mmx8 mm。

2．2 設計步驟

2．2．1 晶體管的選型

通過查閱晶體管生產(chǎn)廠商的相關資料，綜合上述低噪聲晶體管的選擇原則，這里選用Agilent公司的ATF-54143型晶體管。

2．2．2 拓撲結(jié)構(gòu)確足

在選好晶體管后，理論上就要確定直流工作點。但實際工程實踐中，則是直接將所選晶體管的數(shù)據(jù)資料中的相應S參數(shù)寫入相應設計軟件中，以S參數(shù)為模設計電路。S參數(shù)能夠完全反映晶體管的所有特性，這是因為：1）在對器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不關心時，只注重其外部特性時，就完全能夠以網(wǎng)絡參數(shù)形式代替這一器件的外部特性；2）晶體管的數(shù)據(jù)資料的相關參數(shù)都是針對實際產(chǎn)品在一定的實驗平臺下測得的，因此更接近于器件的實際特性。

圖2是對所選擇晶體管在ADS中搭建的電路，主要是用于對晶體管的輸入阻抗與對應于最小噪聲系數(shù)的最佳阻抗的測量，這些測量很容易在ADS中實現(xiàn)。

根據(jù)上述關于輸入阻抗結(jié)果來設計輸入匹配網(wǎng)絡。該設計滿足最小噪聲匹配，并兼顧增益指標。其原因可由式（3）得到。這里選用的是PHEMT晶體管，該晶體管能夠在噪聲系數(shù)不是最小時，也能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲指標。

在設計的過程中曾經(jīng)試圖以最小噪聲匹配為目標，但是最后在兼顧增益的前提下，選擇了最佳增益匹配為目標的設計。但無論是以最小噪聲為目標還是以最大增益匹配為目標，在ADS中的實現(xiàn)方式基本是一致的。

在確定了匹配的目標后，可以很容易運用ADS的設計向?qū)?，對匹配電路進行設計。通常情況下選擇支節(jié)匹配。當選擇設計向?qū)е械膯沃Ч?jié)模塊，通過對輸入輸出匹配參數(shù)的設定，就能很容易實現(xiàn)預設的匹配電路。如圖3所示。其中，圖3（b）為圖3（a）中微帶支節(jié)匹配的具體形式。這里需要說明的是，在設計過程中所選的基板材料為介電常數(shù)為4．3的環(huán)氧玻璃FR-4，基板厚度為0．8 mm。

對輸入匹配電路設計完成之后，接下來就是對輸出匹配電路的設計，使用與輸入匹配電路設計中相類似方法，得到輸出匹配電路的初值。之所以這里為初值，是因為當按照目標值設計輸出匹配電路，輸入駐波比達不到指標要求。因此必須對輸出匹配電路進行相應調(diào)整。為了充分發(fā)揮CAD軟件優(yōu)勢，這里對匹配電路的調(diào)整借助于優(yōu)化方法，圖4為優(yōu)化電路的原理圖。

最后加上偏置網(wǎng)絡進行整體仿真，其實加不加偏置網(wǎng)絡對仿真過程影響并不是很大。因為偏置網(wǎng)絡是通過高頻扼流圈接入的，這就使得射頻信號不會對電源部分造成影響，同時，通過一段四分之一波長的傳輸線引入電源。因此，對于射頻電路，電源接入射頻電路的接入點相當于對射頻信號是開路的，同樣直流電源的引入也不會對射頻電路造成影響，并且在RF信號的輸入端也加入了DC Block，進一步隔斷直流對

射頻信號的影響。最終電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 設計結(jié)果

3．1 仿真結(jié)果

低噪聲放大器設計結(jié)果如圖6所示。從圖6可得：在整個頻帶內(nèi)，輸入輸出駐波比VSWRl與VSWR2小于1．5：增益以dB（S（2，1））表示大于15 dB，噪聲系數(shù)nf（2）小于0．5，而穩(wěn)定性系數(shù)StabFactl以及穩(wěn)定性因子均大于1，也就是說所設計的低噪聲放大器完全滿足指標要求。

3．2 版圖的設計結(jié)果

利用ADS可以直接由原理圖生成版圖的特性，首先在ADS中由所完成的原理圖生產(chǎn)版圖，通過對版圖的相應調(diào)整，最終以AutoCAD的形式完成版圖與結(jié)構(gòu)圖的設計，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以容易發(fā)現(xiàn)，版圖的設計中，在微帶線的兩邊放置許多小方塊，這些小方塊是在微波電路設計中經(jīng)常使用的微調(diào)小島。雖然其調(diào)節(jié)力度有限，但是有了這些微調(diào)小島，在一定程度上可以節(jié)約設計成本：不至于對電路板的調(diào)節(jié)心有余而力不足，導致無法微調(diào)而需再版。版圖中扇形開路線的應用，起到了對增益平坦度的調(diào)節(jié)作用：對于某些較低頻率的信號，扇形開路線對這些信號短路，從而降低了低端信號的增益。而做成扇形結(jié)構(gòu)可以大幅提高調(diào)節(jié)范圍。在結(jié)構(gòu)方面需要補充說明的一點是：盒體窄邊尺寸必須小于工作頻段最高頻率波長的二分之一，這一要求受限于截止波導相關理論。

4 結(jié)束語

通過簡單的低噪聲放大器的設計與仿真，論述了整個低噪聲放大器的設計流程。尤其對ADS中如何實現(xiàn)低噪聲放大器做了較為詳細的論述，充分體現(xiàn)了計算機輔助設計的優(yōu)勢。在匹配電路的設計中，采用開路支節(jié)匹配電路；在版圖的設計中，有關扇形開路支節(jié)的內(nèi)容，同樣是對四分之一波長阻抗變換理論的體現(xiàn)；在結(jié)構(gòu)設計中也涉及到了截止波導相關理論的應用，這一切都充分體現(xiàn)了理論與實踐的完美結(jié)合。