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100-400MHz超宽带低噪声放大器ADS仿真设计

作者: 发布时间:2020-01-17 11:24:13 阅读: 72 次

摘要:设计了一个100-400MHz超宽带低噪声放大器。该放大器采用两级E-PHEMT晶体管(ATF54143)级联结构,每级都用独立电源供电。应用射频电路仿真软件ADS对匹配电路进行优化设计,最后通过原理图-版图联合仿真得到放大器的各项性能参数。在100-400MHz频带内,噪声系数(NF)小于0.3dB,带内增益大于32dB,带内增益平坦度±0.5dB以内,输入输出驻波比小于1.8。仿真结果表明,该设计完全满足性能指标要求。

关键词:超宽带;低噪声放大器;ADS仿真;噪声系数

0 引言

低噪声放大器(LNA)是现代微波通信、雷达、电子战系统中的重要部件,它处于接收系统的前端,对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大,同时抑制各种噪声干扰,提高系统灵敏度。由于LNA在接收系统中的特殊位置和作用,该部件的设计对整个接收系统的性能指标起着关键作用。本文介绍了一种超宽带低噪声放大器的设计方法。设计时首先根据性能指标要求选择合适的有源器件,确定相应的工作状态和偏置条件,使器件工作在稳定状态,然后合理设计匹配电路和负反馈电路,最后对整体电路进行优化。设计中采用射频电路仿真软件ADS[1]对电路进行CAD辅助设计并给出了仿真结果。

1 低噪声放大器电路设计

1.1 放大器的各项指标与设计方案

放大器需要满足的指标:工作频带100-400MHz,噪声系数(NF)小于0.3dB,带内增益大于32dB,带内增益平坦度±0.5dB以内,输入输出驻波比小于1.8。考虑到增益和噪声系数要求较高, 采用E-PHEMT晶体管(ATF54143[2],安捷伦公司提供了其的ADS模型,便于仿真,而且工作时不需要负的栅极电压,便于单电源供电。

晶体管的功率增益在频率高端随着频率的增加以6 dB/倍频程下降,因此设计宽带放大器时必须使用相应的方法补偿此增益滚降,且保证整个频带内的稳定性,所以要考虑宽带阻抗匹配及选择恰当的电路形式。宽带放大器有以下几种:①分布放大器;②平衡放大器;③有耗匹配放大器;④负反馈放大器。通过比较,虽然负反馈放大器各个特性的改良是以略微增加噪声为代价的,但这种电路形式仍不失为所需频段内综合效果更优的方法,因此采用负反馈形式。

1.2 偏置和负反馈电路

根据ATF54143管的数据手册,Vds=3 V,Ids=60mA的偏置条件下,Vgs=0.56V,因此可以采用单极性无源偏置网络,偏置电路如图1(a)所示。

 

1 ATF54143偏置反馈电路和稳定系数

器件的偏置以电阻R2R3组成的的分压器实现,分压器的电压取自漏极电压。R4为漏栅极的限压电阻。经过计算再考虑到实际的贴片电阻值,得到R2=270Ω,R3=1200Ω,R4=33Ω。R110KΩ,给栅极限流,C1C4作为匹配网络的射频旁路电容,C2C3分别为R1R4提供了一个低频旁路电容,L1L2为高频扼流电感。

采用两种负反馈来控制各指标的平衡。其中栅极和漏极之间的反馈网络由电容和电阻组成,其作用主要是调节噪声系数和端口驻波比,同时兼顾电路的稳定性;源级串联负反馈用于控制增益及增益平坦度的大小。源级串联负反馈可以降低整个电路对晶体管自身性能变化的敏感度,增加放大器线性度。源级串联无耗电感反馈时,由于可以降低更佳噪声源阻抗的电抗部分,而对其电阻部分几乎没有影响,所以几乎不恶化噪声,但使宽带噪声匹配更易于实现。在场效应晶体管的源极串联一个适当的反馈电感,由一段短路微带线代替,实现起来简单、方便,成本低,且易于调试。

1.3 稳定性分析

因为有源器件都存在内部反馈,反馈的大小取决于放大器的S参数、匹配网络以及偏置条件,当反馈量达到一定程度时,将会引起放大器输入或输出端口出现负阻,产生自激振荡,因此在做端口匹配前首先要判定放大器是否稳定。

通常用K-Δ的方法来判定稳定性:

      

同时满足K>1|Δ|<1时,放大电路处于稳定。

如果根据晶体管数据手册中的S参数进行计算分析,则计算过程复杂,可以使用ADS中的稳定性判定系数stab_fact(s)stab_meas(s)直接对器件进行稳定性分析,只有在工作频段内同时满足stab_face(s)>1stab_meas(s)>0,才能保证器件稳定。通过仿真得到稳定性判定系数如图1(b)所示。由图可知,两个稳定性系数在100-400MHz频率范围满足要求,所以器件稳定。

1.4 匹配电路与版图设计

考虑到频率较低和小的尺寸,采用集总参数的电容电感进行匹配电路设计[4]32dB的增益,可以采用两级放大的形式且都用ATF54143。为了在整个频段内得到良好的匹配效果,一般先选定中心频率进行匹配电路设计,然后再对电路在整个频带内进行微调优化。级设计时,如果按最小噪声设计,输入端不是共轭匹配,会造成输入驻波比差,增益低,带内增益平坦度也不好,所以应该在最小噪声、驻波比和增益之间权衡进行输入匹配设计。输出按共轭匹配设计,同时加入一些电阻,增加稳定性,改善增益平坦度。输入输出都匹配到50Ω,电容电感用50Ω特征阻抗的微带短线进行连接。第二级采用与级一样的结构,直接与级级联。在确定整体电路后,画出版图。在版图空白处添加大面积的通孔接地,一方面为了保证散热和接地效果良好,另一方面是为今后调试留下焊接空间。整体电路如图2(a)所示。

2 电路优化与仿真结果

采用理想电容电感元件,先对级进行优化,当级的各项指标与预期目标接近后,第二级采用与级一样的结构与其级联,再对整体电路进行优化。在用ADS进行优化时,先放宽目标,进行随机优化后,再进行梯度优化,然后收紧目标,直到达到预期结果。按更优的原理图设计版图,然后进行原理图-版图联合仿真。原理图-版图联合仿真把layout中的无源电路和原理图中的元器件有机结合在一起进行仿真,既考虑了无源器件之间的电磁场效应,又可以考虑有源元件、集总元件的效应,这样仿真结果和实测结果非常接近,可以缩短制版调试的轮回。得到初步结果后,用较的muRata电容电感模型代替理想化模型,经过不断地优化和仿真,最终结果如图2(b)(c)(d)所示。可见,仿真结果的各项指标均达到预期要求。

 

3 结论

本文讨论了一种增强型E-PHEMT晶体管的超宽带低噪声放大器的设计,介绍了具体的流程与方法,应用射频电路仿真软件ADS强大的功能对放大器进行了优化设计,省去了复杂的理论分析计算,大大简化了设计过程,提高了工作效率,对低噪声放大器的制做具有很强的现实意义。

参考文献:

[1]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例.北京:电子工业出版社,2010.

[2]张小兵.基于ATF54143LNA设计.现代电子技术,2007,30(20):165-167.

[3]王子宇,张肇仪,徐承和.射频电路设计-理论与应用.北京:电子工业出版社,2003.

[4]黄秋元,鄢凯.LNA 匹配网络设计与仿真.武汉理工大学学报-信息与管理工程版,2002.27,5:144-147.