L波段200MHz帶寬LNA設計

　　從公式(4)可以看出，在源極串聯電感后，可以增加晶體管雙端口網絡輸入阻抗的實部，而虛部基本保持不變，使其逐漸與最佳噪聲匹配的阻抗重合;另一方面，增加一個無源元件不會使晶體管的噪聲性能惡化。接入源極負反饋后，對ATF54143進行仿真。圖2即為晶體管穩定性改善前后的仿真結果圖，(a)是末接入源極負反饋時，晶體管在小于3.5GHz的頻段內都是不穩定的;(b)是接入源極電感后，ATF54143在1.9GHz～2.1GHz頻段范圍內都是穩定的。可見采用源極串聯負反饋技術后，穩定性因子K在所要求的頻率范圍內大于1，滿足絕對穩定的條件要求。

　　晶體管穩定性改善前后的仿真結果圖

　　偏置電路的設計

　　直流偏置電路為放大器提供合適的電壓和電流，使得晶體管工作于要求的靜態工作點，并在晶體管參數和溫度變化的范圍內，保持靜態工作點的恒定。根據器件特性選擇最佳條件，這里選取ATF54143的典型直流工作點參數：VDS=3V，ID=60mA;偏置的方式采用了電阻偏置，它有較好的溫度穩定性。

　　結合上述偏置電路的設計原則和ATF54143的S參數數據，就可設計出如圖3所示的直流偏置電路。

　　直流偏置電路

　　其中Vdc是饋電電壓，其值選5V;Vds是ATF54143的漏源工作電壓，大小為3V;Idc是ATF54143靜態工作點所需的漏極電流，大小為60mA;IBB是流過R3、R4電阻分壓器的電流，它一般至少為門極漏電流的10倍，這里選為2mA;R2的計算則基于Vdc和Idc。由公式(5)、(6)、(7)可計算出R2=32.3Ω，R3=1200Ω，R4=300Ω。R5為高阻態電阻，這里選取R5值為12KΩ，取較大的阻值可以提高晶體管的效率。

　　晶體管的效率公式

　　輸入、輸出匹配網絡的設計

　　低噪聲放大器設計中，輸入、輸出匹配網絡的設計是在獲得噪聲系數、增益指標的前提下，將晶體管的輸入阻抗、輸出阻抗分別變換到標準的50Ω。通常低噪聲放大器的最大增益和最佳噪聲系數不可能同時獲得，因此，在設計的過程中需要對增益和噪聲系數等指標取折衷，以滿足設計指標的要求。

　　設計中采用的基板是厚度為1 mm，相對介電常數為2.7的F4B介質板。第一級放大電路的設計根據ATF54143的小信號S參數計算出放大器中心頻率的輸入、輸出阻抗，輸入阻抗Zin=50×(0.999+j3.928E-4)，輸出阻抗Zout=50×(1.017+j0.064)，采用共軛匹配的方法，即ZS=Z*in，ZL=Z*out，從而進行輸入和輸出匹配電路的設計，并采用ADS軟件對設計的匹配網絡微帶電路尺寸進行優化、仿真。

　　放大器的噪聲系數頻率響應如圖4所示，從圖中可以看出放大器的噪聲系數在中心工作頻率大約為0.6dB;圖5為放大器增益/頻率曲線，可以看出，設計的第一級放大器增益在工作頻率范圍內大于10dB。

　　放大器的噪聲系數頻率響應

　　放大電路第二級的MGA86576由于本身就是一個內匹配的增益模塊，可直接與第一級進行級聯。但為了減小輸入/輸出回波損耗，所以在此級放大電路加入了匹配電路的設計，步驟與第一級類似，級間用電容相連。

　　仿真結果

　　電路設計完成后，使用ADS軟件對設計的低噪聲放大器進行仿真，其中，圖6為低噪聲放大器的噪聲系數仿真結果，可以看出在1.90GHz～2.10GHz頻段中噪聲系數NF≤0.67dB;圖7為低噪聲放大器的增益特性頻率響應，在2.0GHz頻點上，增益大約為38dB;圖8為整個低噪聲放大器的輸入、輸出回波損耗頻率響應，其中的虛線是輸入回波損耗，實線是輸出回波損耗，在整個工作頻段內輸入回波損耗小于-15dB，輸出回波損耗小于-22dB。

　　結語

　　本文介紹了一種采用源極串聯負反饋提高低噪聲放大器穩定性的方法，并設計了一個中心頻率為2GHz、帶寬為200MHz的L波段低噪聲放大器，仿真結果表明，源極串聯負反饋可以提高放大器的低頻穩定性。