基于ADS低噪聲放大器電路設計研究①

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(佳木斯大學理學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

5G時代的來臨射頻功率放大器的功耗問題受到越來越多的重視，高效、低能耗已經(jīng)成了設備制造商制作接收機首要目標，低噪聲放大器在接收系統(tǒng)的最前端，它的作用是放大來自外界的信號解答出有用信息，提高接收機的靈敏度，并降低線路中自身產(chǎn)生的信號干擾。隨著工藝的發(fā)展和材料的發(fā)現(xiàn)，低噪聲放大器的發(fā)展取得了顯著的提高，微波和毫米波的發(fā)展帶來了對放大器更高的需求性，在各個領(lǐng)域中對放大器的前景都激起了猛烈的興趣。所以低噪聲放大器設計的發(fā)展對通訊技術(shù)的發(fā)展也起到推進的作用，而低噪聲放大器不光應用在通訊技術(shù)中，在許多科技領(lǐng)域里都可以找到它的身影，隨著科技的進步，作為一款基礎電路，其發(fā)展前景十分理想的，一座巍峨的建筑是與堅強的基礎分不開的，而低噪聲放大器對于所有的接收類電路器件也是一個密不可分且重要非常的基礎。

1 放大器基本原理

由于阻抗匹配可以提高信號的傳輸效率，因此低噪聲放大電路的輸入端與輸出端可以看成二端口網(wǎng)絡，在二端口的網(wǎng)絡分析中電路的效率直接影響整體電路的工作性能，根據(jù)電路中源和負載端的阻抗匹配情況，通常使用三種功率增益，增益與某些工作性能指標有關(guān)，可以根據(jù)不同的指標要求設計出更符合要求的放大器。

工作功率增益GP與源內(nèi)阻ZS無關(guān)與ZL相關(guān)，定義為負載吸收功率PL與網(wǎng)絡輸入功率Pin之比。

GP=PL/Pin

(1)

資用功率增益GA與源內(nèi)阻ZS與負載內(nèi)阻ZL都有關(guān)，定義為網(wǎng)絡可用功率Pavn與信號源可用功率Pavs之比

圖1 放大器增益分析框圖

圖2 低噪聲原理圖

(2)

轉(zhuǎn)移功率增益GTGT與源內(nèi)阻ZS和負載內(nèi)阻ZL都有關(guān)系，為負載吸收功率PL與信號源可用功率Pavn之比，

GT=PL/Pavs

(3)

這三種放大器增益對于設計放大器都具有一定的指導作用。一個優(yōu)良的電路噪聲與增益、穩(wěn)定度一起得到滿足才可以說得上設計成功，為了同時考慮其三者的關(guān)系，利用ADS軟件，通過模擬出增益圓圖和等噪聲圓圖優(yōu)化設計找到最佳源阻抗，尋求高效、低噪聲發(fā)達電路，放大器增益分析框圖如圖1所示。通過圖1給出三種增益的確切數(shù)學表達式和使用范圍：

(4)

(5)

所以求出a1與b2就可以求出Pin與PL。由輸入端的歸一化電壓表達式可以求出a1與b2。對雙端口網(wǎng)絡可得到網(wǎng)絡負載吸收功率與輸入功率

(6)

(7)

功率增益的表達式為

(8)

信號源資用功率PAVS是網(wǎng)絡源阻抗共軛與輸入阻抗匹配時信號源的輸出功率，即ΓS=Γin*成立時。由PL的表達式得到

(9)

網(wǎng)絡資用功率PAVN為網(wǎng)絡輸出阻抗與負載阻抗成共軛匹配時端口輸出功率，即ΓL=Γout*成立時。由PL負載吸收功率得到

(10)

根據(jù)雙端口網(wǎng)絡輸入與輸出特性表達式為

(11)

(12)

推導出公式

(13)

整理得出公式

(14)

圖3 2.5G低噪聲放大電路仿真

得到資用功率的表達式

(15)

得到轉(zhuǎn)移功率增益的表達式

(16)

由于器件的參數(shù)隨著頻率發(fā)生變化，導致放大電路的帶寬變小，增益會隨著頻率升高下降，所以在設計放大器時通常使用多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)來達到所需增益值，但這有可能使放大器的增益平坦度變差。所以在設計中不但要保障增益和頻帶符合需求還要使增益平坦度也要符合的設計目標要求。增益平坦度在外界環(huán)境不變時，可以在有效的頻率范圍內(nèi)將低噪聲放大器在正向傳送頻譜特性時掃描到的頻譜結(jié)果體現(xiàn)在一定標準下的增益波動范圍內(nèi)，它的一般表達式為：

(17)

其中Gmax與Gmin分別表示低噪聲放大器在頻帶內(nèi)的最大正向與最小正向傳輸值。帶寬可以使用絕對帶寬與相對帶寬兩種定義方式，絕對帶寬一般表達式為

BW(Hz)=fH-fL

(18)

物理意義為放大器工作的最高頻率與最低頻率之差。其中，fH表示最高點頻率，fL表示最低點頻率，帶寬BW單位為赫茲。但在使用絕對帶寬時，經(jīng)常只給出帶寬卻不能給出中心頻率，這樣的結(jié)果就不能準確反映出帶寬的確切含義。所以在設計射頻電路是經(jīng)常使用相對帶寬。低噪聲放大器電路的性能不穩(wěn)定會產(chǎn)生震蕩，這種震蕩也存在著使器件完全失去功能的可能性。經(jīng)常在不恒定的振幅和頻率下產(chǎn)生的以個混亂的響應，最壞的是無論什么樣的外部電路晶體管總是會產(chǎn)生震蕩，穩(wěn)定性就成為最大功率增益和方便的電路設計的要素之一。當信號反射由源輸入到端口時Γin幅值就會上升，若信號的反射發(fā)生在輸入端口是就會產(chǎn)生震蕩，所以

ΓSΓin>1

(19)

放大器就會在輸入端不穩(wěn)定。在輸出端也會發(fā)生同樣的原理

ΓLΓout>1

(20)

放大器在輸出端就會產(chǎn)生不穩(wěn)定。當源于負載都是無源的時候保障放大器的穩(wěn)定性的條件就是|Γin|<1和|out|<1，它表達放大器絕對穩(wěn)定的條件是

(21)

|S11|2<1-|S12S21|

(22)

|S22|2<1-|S12S21|

(23)

k位穩(wěn)定性判別系數(shù)，k>1就是放大器的穩(wěn)定狀態(tài)。當上述三個條件都得到滿足放大器就處于絕對穩(wěn)定的條件下。

2 放大器電路設計

利用實際的微帶線，利用ADS原件基于AFT5414設計的低噪聲原理圖如圖2所示

仿真結(jié)果如圖3所示

結(jié)果表明這款低噪聲放大器符合要求，最后增益約為15.039dB，輸入端與輸出端電阻匹配到50Ω，噪聲系數(shù)約為0.565dB，穩(wěn)定系數(shù)為1.048。如圖3，結(jié)果符合要求。

3 結(jié) 論

通過對器件模型和特性進行分析并使用計算機仿真軟件ADS及低噪聲晶體管ATF54143來設計出一款低噪聲放大器，設計中采用負反饋改善增益與帶寬，放大器結(jié)構(gòu)簡單，適用于無線通信領(lǐng)域。