UHF宽带低噪声放大器设计

1 引言

低噪声放大器（low-noise amplifier，简称LNA）是射频接收机前端的主要部件。它的增益、噪声、线性度等直接影响整个电路系统的性能。UHF频段从300～3000MHz，是当前无线通信应用比较集中的一个频段，如WLAN、GPS、GSM等等，所以该频段对射频模块电路的需求量大。本文利用EM/circuit 协同仿真设计了一款覆盖整个UHF频段的宽带低噪声放大器，给出了具体实例。

2 LNA设计思路

主要设计指标：频率500～3000MHz，增益≥14dB，平坦度±0.5dB，输入输出回波损耗>10dB，NF≤1.4dB，输出P-1≥14dBm，工作电压3.3v，电流<100mA。微波放大器根据功能可以分为低噪声放大器（LNA）, 功率放大器（PA）和驱动放大器（Driver Amplifier）。对于低噪声放大器的设计,器件选择十分重要，以噪声系数为评价指标对器件排序如下：HEMT>JFET,MESFET>HBT>BJT>CMOS我们综合成本和性能的要求，选择Agilent的ATF-54143，它是HEMT，噪声系数很低，而且在3GHz时，MAG还有19.77dB (Vds=3V，Ids=20mA)。

首先考虑放大器的稳定性，一般放大器不是全频带稳定的，将一个放大器简化为一个二端口网络，则无条件稳定条件可表示为:

(1)

(2)

(3)

从而可以得到输入和输出的稳定性判定因子及稳定系数分别为

(4)

(5)

(6)

(其中：Δ=S₁₁S₂₂ - S₂₁S₁₂)它们分别是源和负载端的稳定性判定因子，只要它们之中有一个大于1，另外一个也必然大于1，而且K也会大于1，此时放大器无条件稳定。对于LNA，电阻的出现会提高放大器的稳定性，降低放大器的增益，增加放大器的噪声，所以最好把稳定放大器的电阻放到输出端去，同时由于放大器一般是在某些频段不稳定的，这时可以对电阻元件引入并联或串联电容，使得电阻对某些特定频率进行较大衰减，这样将对不稳定频段的稳定性有所改善，同时尽可能少的影响其它频段的稳定系数K，这是因为

(7)

如果K值过大，放大器的增益下降会很厉害，一般K取1.1左右比较好。宽带阻抗匹配是一个困难的问题。因为复阻抗通常随频率变化， Bode和Fano等人指出，当存在电抗元件时，在宽带匹配方面有一个实际极限，如式(8)所示：

(8)

虽然有多种实现宽带放大器的技术，但是常用的主要有以下两种：平衡式放大器、反馈式放大器。基于成本和体积的考虑, 我们采用负反馈进行宽带放大器的设计。如图1所示的负反馈电路, 电阻元件R₁ 和R₂的优化初值选择依照下面公式：

(9)

(10)

图1 电阻负反馈电路

对于LNA，对于单级放大器而言，其噪声系数的计算为

(11)

其中F_min为晶体管的最小噪声系数，它由放大器晶体管本身决定，Γ_opt、Γ_s和R_n分别为获得最佳反射系数、晶体管输入端源反射系数以及晶体管的等噪声电阻。所以输入匹配电路主要让噪声系数最小，但为了保证增益、驻波和带宽的指标，输入输出匹配电路需要在Γ_opt、S₁₁、S₂₂和Gain之间取舍。采用谐振单元加传输线的结构来实现宽带LNA的设计,如图2所示。研究谐振单元加传输线的匹配特性，结果如图3所示。一般的匹配网络，如L型或者型电路等，它们的带宽是有限的，如果要达到宽带，需要混合使用，而其在Smith圆图上，经过每一个元件匹配后的Q值都不能变大，显然当各个点处的Q值相等时匹配结果最优，因为从(8)式可以看出，若有任意一点的Q值变大，整个带宽就会变小。下面给出一个采用谐振单元的例子如图2所示。从图3的仿真结果可以看到，由于谐振单元的电抗特性，在较宽的频带内可以达到较好的匹配效果。

图2 谐振单元加传输线的匹配电路

图3 匹配结果

3 LNA仿真、优化

在实际制作放大器时，必须考虑场效应管源极接地的影响。在频率较低时，其影响可以忽略不计，但在微波频段，接地情况直接恶化实际的性能。为考虑接地对信号传输的影响，采用ADS自带的momentum软件仿真实际封装下源极接地的影响，实际接地及其等效电路如图4。

图4 实际源极接地及其等效电路

利用上面的方法设计放大器电路图结构如图5所示:

图5 LNA原理图

优化电路使其满足设计指标，选择实际可以购买到的标称元件值，代入实际电容、电感的S参数模型，再次对微带线进行优化，当然此时也可以对元件值进行优化，有的厂商提供的数据是可以优化的。接下来进行EM/Circuit Co-Simulation，在ADS的layout中建立微带线、连接