基于ADS的射頻低噪聲放大器的設計與仿真

摘要：應用E-PHEMT器件ATF-58143設計了一款增益約20 dB，噪聲系數小于0．5 dB的低噪聲放大器。采用負反饋保證系統的穩定性，利用匹配網絡保證了低噪聲系數和高增益。結合該實例介紹了借助ADS軟件進行低噪聲放大器的設計方法，給出設計步驟，并對仿真結果進行了分析，對于LNA的研究與設計具有重要意義。
關鍵詞：低噪聲放大器；噪聲系數；ADS軟件；匹配

從天線接收的微弱信號由處于射頻接收機前端的放大器進行放大，因此要求該放大器具有一定的增益和較小的噪聲系數。
本文借助Agilent公司的射頻電路設計軟件ADS(Advanced Design System)進行輔助設計一款高增益低噪聲放大器(LNA)，并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、輸出匹配網絡三部分。

2 射頻放大器的設計
2．1 晶體管的選擇
選擇好晶體管器件對低噪聲放大器的設計至關重要。
根據工作頻率、增益和噪聲系數等指標要求，同時考慮到設計、仿真時便于得到相應的元器件模型，最終選用Avago公司的高電子遷移率晶體管(E-PHEMT)ATF-58143來進行設計(可以在Avago公司的網站上下載到ATF-58143的元件模型)。
2．2 偏置電路的設計
設計LNA首先需要確定靜態工作點，利用ADS中的“DC_FET_T”的模板可以很方便地仿真出其輸出特性曲線。再參考ATF-58143的datash eet，可以確定當Vds=3 V，Ids=35 mA時，各項設計指標滿足要求。
確定靜態工作點后，就要確定偏置電路的形式和參數。不需人工計算，借助ADS中的設計向導工具(DesignGuide→Amplifier→Tools→ Transistor Bias Utility)可以輕易完成。因為ADS所提供的元件數值是非標稱的，所以需要設計者用與ADS提供的數值接近的標稱元件進行替代。偏置電路及各點靜態參數如圖2所示。

2．3 穩定性分析及改善
晶體管絕對穩定的條件是K>1，|△|1。其中：

如果這兩個條件不能同時得到滿足，電路將存在潛在的不穩定和振蕩的可能。對上述偏置條件下的晶體管進行穩定性仿真分析發現，在要求的工作頻段內其穩定系數K1，不滿足絕對穩定的條件。
通過引入負反饋的方式可以改善電路的穩定性，同時也能夠拓展工作帶寬。在輸出端和輸入端之間串聯RC電路引入負反饋，其中的R需要滿足條件：

同時在兩個源極加上小的電感引入負反饋進一步改善穩定性，該電感的值需反復調節后方能確定。
對引入負反饋后的電路再次仿真，其工作頻帶內穩定系數K>1，滿足絕對穩定條件。