本文利用安捷倫的射頻電路設計軟件ADS(Advanced Design System)設計了壹個高增益低噪聲放大器(LNA ),並對其進行了仿真驗證。
1射頻放大器的組成
單級射頻放大器的組成如圖1所示，包括射頻晶體管放大電路和輸入輸出匹配網絡。
射頻放大器的設計
2.1晶體管選擇
選擇晶體管器件對於低噪聲放大器的設計非常重要。
根據工作頻率、增益和噪聲系數的要求，並考慮到在設計和仿真時方便得到相應的元件模型，選用Avago公司的高電子遷移率晶體管(E-PHEMT)ATF-58143進行設計(ATF-58143的元件模型可從Avago公司網站下載)。
2.2偏置電路的設計
LNA的設計首先需要確定靜態工作點，利用ADS中的“DC _場效應管_T”模板可以方便地模擬出其輸出特性曲線。參考ATF-58143的數據表，可以確定當Vds=3 V，Ids=35 mA時，所有設計指標都滿足要求。
在確定了靜態工作點之後，還需要確定偏置電路的形式和參數。無需人工計算，借助ADS中的設計指南→放大器→工具→翻譯偏置實用程序即可輕松完成。因為ADS提供的元件值是非標稱值，所以設計者需要用接近ADS提供的標稱元件來替換它們。各點的偏置電路和靜態參數如圖2所示。
2.3穩定性分析和改進
晶體管的絕對穩定條件是k >；1，|△| & lt；1。其中包括:
如果這兩個條件不能同時滿足，電路就會出現潛在的不穩定和振蕩。晶體管在上述偏置條件下的穩定性模擬分析表明，其穩定系數K
通過引入負反饋，可以提高電路的穩定性，擴展工作帶寬。負反饋被引入串聯在輸出和輸入之間的RC電路，其中r需要滿足以下條件:
同時在兩個源上加壹個小電感，引入負反饋，進壹步提高穩定性，電感的值可以反復調整後確定。
引入負反饋後，再次對電路進行仿真，其在工作頻帶內的穩定系數為k >；1，滿足絕對穩定條件。
2.4設計具有最小噪聲系數的輸入匹配電路和具有最大增益的輸出匹配電路。
如果輸入匹配電路和輸出匹配電路將射頻器件的輸入阻抗Zin和輸出阻抗Zout換算成標準系統阻抗Zo，即Zin=Zo和Zout=Zo(或者如圖1所示)，則器件的傳輸增益可以是最高的。但是當輸入和輸出匹配時，噪聲不是最優的。當γ s = γ opt時，可以獲得最小的噪聲系數。？
利用ADS可以方便地畫出功率增益相等的圓和噪聲系數相等的圓，如圖3所示。從圖中可以看出，如果從m2點匹配標準系統阻抗，可以獲得電路的最大增益；如果阻抗與m3點的標準系統阻抗匹配，則可以獲得最小噪聲系數。顯然，最大增益和最小噪聲系數不能同時獲得。對於低噪聲放大器，首先要考慮最小噪聲系數，所以m3點要匹配。借用ADS自帶的工具“史密斯圓圖實用工具”，只要在裏面設置好頻率、源阻抗、目標阻抗值，就可以設計出所需的輸入匹配電路。
輸入匹配完成後，在原理圖中添加壹個阻抗測量控件，測量輸出阻抗，然後使用“史密斯圓圖實用工具”將輸出阻抗與標準系統阻抗再次匹配，就可以得到增益最大的輸出匹配電路。
當輸出端的匹配完成後，輸入端的回波損耗會變得更差，因為從輸入端看的等效阻抗Zin發生了變化。因此，通過使用優化控制，可以同時優化和改進輸入和輸出端子的匹配電路，並且Tunig工具也可以用於調整。
2.5最終電路和仿真結果分析
匹配和優化的電路如圖4所示。電路中各元件的作用如下:C6和L6是輸入匹配電路；C7和L7是輸出匹配電路；L1，L5，C3和R5是反饋元件；L3和L4是扼流圈電感；C4和C5是d C阻塞耦合電容；C1和C2是旁路電容。
需要註意的是，反饋電感L1和L5以及匹配電路中的元件C6、L6、C7和L7，在工程中由於其值較小，經常被微帶線代替。
模擬結果如圖5所示。其工作帶寬為500 MHz，中心頻率處增益接近20 dB，輸入輸出反射損耗小於-10 dB，噪聲系數小於0.5 dB，穩定系數大於1。如果斷開反饋電路再次仿真，會發現增益增加了，但穩定系數會小於1，放大電路無法正常工作。
3結論
通過對射頻低噪聲放大器的設計和仿真可以看出，利用ADS設計電路，理論計算簡單，設計過程快速，參數修改和驗證容易，縮短了設計周期，提高了設計精度，具有工程實用價值。
來自天線的微弱信號在射頻接收機前端被放大器放大，因此要求放大器的增益和噪聲系數低。
本文借助Agilent ADS的射頻電路設計軟件(Advanced Design System)來輔助設計高增益低噪聲放大器(LNA)，並進行仿真驗證。
1射頻放大器的組成
由射頻放大器組成的單級如圖1所示，包括射頻晶體管放大電路和輸入輸出匹配網絡三部分。
2射頻放大器的設計
2.1晶體管的選擇
好的選擇晶體管元件對於低噪聲放大器的設計是非常重要的。
根據工作頻率、增益和噪聲系數指標要求，同時在考慮設計時，仿真很容易得到相應的元件型號，最後選擇Avago公司的高電子遷移率晶體管(PHEMT) E ATF - 58143進行設計(可以在Avago公司網站上下載到ATF元件型號- 58143)。
2.2偏置電路的設計
設計LNA首先需要確定靜態工作點，使用ADS的" DC_FET_T "模板可以很容易地模擬出輸出特性曲線。再次參考ATF - 58143數據表，可以確定當Vds = 3 V，Ids = 35 mA時，設計指標滿足要求。
確定靜態工作點後，應確定偏置電路的形式和參數。不需要人工計算，借助ADS中的設計向導工具(design guide-Amplifier-& gt；工具-晶體管偏置，實用程序)可以很容易地完成。因為廣告所提供的組件值是標稱的，所以設計師需要使用與廣告提供的替代值接近的標稱元素。偏置電路和壹些靜態參數如圖2所示。
2.3穩定性分析和改進
晶體管是K & gt1，|δ| & lt；1.其中包括:
如果兩個條件不能同時滿足，就會出現潛在的不穩定性和振蕩電路。晶體管的偏置條件穩定性仿真分析發現，穩定系數在要求的工作頻帶K & lt1，不能滿足絕對穩定條件的需要。
通過引入反饋的方式來提高電路的穩定性，還可以擴展工作帶寬。在輸出和輸入之間串聯RC電路引入反饋，其中R需要滿足條件:
在源和反饋中都引入小電感以進壹步提高穩定性，電感的值要反復調整後方可確定。
再次引入負反饋電路仿真，在其工作頻率內穩定系數K > 1；1，滿足絕對穩定條件。
2.4最小噪聲系數的輸入匹配電路設計，最大增益的輸出匹配電路設計
如果射頻器件的輸入匹配電路和輸出匹配電路Zin將輸入阻抗和輸出阻抗Zout轉換為標準系統的阻抗Zout，即Zin = Zo，Zout = Zo(或者，如圖1所示)使壹個器件傳輸最高增益。但是當輸入輸出匹配時，噪聲不是最好的。當γS =γopt時，可以得到最小的噪聲系數。
ADS可以很容易地繪制功率增益和噪聲系數，如圖3所示。從圖中可以看出，如果從m2點阻抗匹配到標準系統，將能夠使電路增益達到最大增益；如果阻抗匹配到標準系統，從m3點將可以獲得最小的噪聲系數。顯然，最大增益和最小噪聲系數不能同時得到。對於低噪聲放大器，首先是考慮最小噪聲系數，等等m3點匹配。使用ADS自帶的工具“史密斯圓圖實用工具”，在其中只要設定頻率、源阻抗和目標阻抗值，就可以設計需要的輸入匹配電路。
在輸入匹配完成後，在原理圖中添加阻抗測量控制測量輸出阻抗，再用“史密斯圓圖”這個實用工具將輸出阻抗匹配到標準系統阻抗，就可以得到輸出匹配電路的最大增益。
當輸出匹配完成後，由於從輸入看到的等效阻抗Zin已經改變，將在輸入端得到較差的回波損耗。為了這個目的，最優控制可以用來對輸入和輸出匹配電路同時進行優化改進，也可以使用Tunig工具。
2.5最終電路分析和仿真結果
匹配和優化電路如圖4所示，電路中各元件的作用分別是:C6、L6是輸入匹配電路；C7，是關於輸出匹配電路；L1，L5，C3，R5是反饋元件；L3、L4是扼流圈電感；C4，C5是直接耦合電容；C1，C2是旁路電容。
需要說明的是，反饋電感L1、L5和匹配電路元件C6、L6、C7，大約是因為數量少，工程中常用微帶線等來代替。
模擬結果如圖5所示。其工作帶寬為500 MHz，中心頻率增益接近20 dB，輸入輸出回波損耗小於10 dB，噪聲系數小於0.5 dB，穩定系數大於1。如果斷開反饋電路後再仿真，會發現增益增加了，但穩定系數將小於1，放大電路將不能正常工作。
3結論
通過射頻低噪聲放大器的設計和仿真，可以看出使用ADS輔助電路設計，理論計算簡單，設計過程快速，參數修改容易，方便，縮短設計周期，