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1、http:/ -1- 低噪声放大器的仿真设计郭欢武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉（430070）E-mail：摘 要： 首先介绍了低噪声放大器的设计理论和方法，然后详细阐述了利用ADS 进行仿真和设计的步骤。 对成品的实际测量结果表明，此低噪声放大器达到了预设的技术指标，性能良好，可用于接收机前端。关键词： 低噪声放大器，噪声系数，仿真，优化中图分类号：TN722.3 1.引言近年来， 通信技术以惊人的速度发展，而无线通信更呈现爆炸性增长，这使得射频技术又一次摆在了重要的位置。通信系统的发射机和接收机都必须借助各种电子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。低噪声放大器是射频接收机前端的主要部
2、分，本文通过研究低噪声放大器的设计理论，设计了一个满足技术指标的低噪声放大器，具有较低的噪声系数和适当的增益，能符合射频通信电路的要求。2.低噪声放大器的设计理论在设计低噪声放大器时，为了尽量实现理想功率传输，必须使负载阻抗与源阻抗相匹配；为了获得较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出端则采用输出共扼匹配，如果增益未能达到系统对此放大器的要求，则需要采用多级放大电路。噪声系数定义为放大器输入端信噪比与输出端信噪比的比值，即：ininoutoutSNNFSN=（1）噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。如果系统是无噪的，不管系统的增益多大，输入的信号和噪声都同样被放大，
3、而没有添加任何噪声，因此输入输出的信噪比相等，即噪声系数为1，则有噪系统的噪声系数均大于1。根据噪声级联公式：111212(1)/(1)/nFFFGFGG=+-+-+（2）式中， Fn为 n 级放大器的噪声系数，Gn为第 n 级放大器的增益。得到第一级放大器的噪声性能对整个放大器的性能起决定性因素，第一级放大器必须实现在宽频带内噪声匹配。对于单级放大器而言，其噪声系数的计算公式为：2min224(1)1ssonssoFFR - =+- - （3）其中minF为晶体管的最小噪声系数，取决于放大管本身，当sos时，可得最低噪声度minF。so、s和nR分别为获得最佳反射系数、晶体管输入端源反射系数
4、以及晶体管的等噪声电阻。 由于放大器的噪声系数与信号源的阻抗有关，而与负载无关， 所以对于一个晶体管，当它的源端所接信号源的阻抗等于最佳源阻抗时，它的噪声系数最小。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - http:/ -2- 设计放大器， 首先必须满足的条件是在其工作频段内的稳定性。放大器稳定性判剧有以下两种1：（1）K - ?判剧，放大器无条件稳定需满足：1122122122211221221111()2S SS SS
5、SKRollettSS? =-?因子（4）（2）判剧，放大器无条件稳定需满足：211*11122111SSS S-? +22S（5）其中11221221S SS S? =-。3.低噪声放大器的设计本文中的低噪声放大器主要由输入匹配网络、晶体管放大器和输出匹配网络组成，它的组要模块如图1 所示。本文中所用到的晶体管是飞利浦公司的BFR505，该晶体管是NPN型的晶体管，主要应用于RF 的前端设计中。该管型在ADS 的自带库中没有，故通过下载厂商所提供的资料来完成仿真。图 1 LNA 电路模块图3.1 直流偏置电路利用 ADS 系统提供的典型电路设置，参照下载的BFR505 的技术指标，以晶体管的
6、基极电流作为扫描参数，来完成 ADS 对晶体管直流工作点的扫描仿真工作2，仿真结果如图2所示。选定直流工作状态为：3 ,5cecVV ImA=。根据以上设置的直流偏置参数(3 ,5cecVV ImA=)可推导出电路图中各偏置电阻值为： （由图 2 可推导出晶体管的约为 120）() /(53)/ 0.005400(0.7) /(/)(30.7) /(0.005/120)55200cDCCCbCCRVVIRVI=-=-=?=-=-=?名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2
7、页，共 6 页 - - - - - - - - - http:/ -3- m1VCE=m1=0.005IBB=0.0000403.0001234050510-515IBB=2.000E-5IBB=3.000E-5IBB=4.000E-5IBB=5.000E-5IBB=6.000E-5IBB=7.000E-5IBB=8.000E-5IBB=9.000E-5IBB=1.000E-4VCEIC.i,mAm1图 2 晶体管直流工作点扫描仿真结果设计完偏置网络后， 可根据 ADS 中 DC 仿真来验证该设计是否和前面的设定保持一致。仿真结果如表1 所示， 该结果验证了直流工作点与前面所设定的基本保持一致
8、，故说明了该偏置网络的可行性。表 1 晶体管的直流工作点参数freq0.0000 HzIc.i4.969mAvb809.1mVvc2.997 V3.2 稳定电路在判断 LNA 的稳定性时，在仿真图中加入mu_load 和 mu_source，即负载和源的判剧稳定系数。 根据上述所得到的偏置电路，仿真结果如图3 所示。 从仿真结果可得出放大器存在潜在的不稳定性，对此，则需增加网络来改善其不稳定性。故在射极端增加一电感，且在集电极和电源间增加一电阻来增加其网路的稳定性。m1freq=m1=0.999720.0MHz0.20.40.60.81.00.01.20.81.01.20.61.4freq,
9、GHzMu_sourcem1Mu_load图 3 LNA 的负载和源的判剧稳定系数3.3 输入和输出匹配网络由于所设计低噪声放大器为两级放大的电路模型，则在设计输入输出匹配电路的时候，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - http:/ -4- 第一级放大电路以满足最佳噪声为主要目的，而第二级则以满足增益为目标来设计。同时，需要考虑到级间匹配的问题，第一级低噪声放大器的输出匹配是匹配到50Ohm，则第二级低噪声放大器的输
10、入匹配也应该匹配到50Ohm，这样才能完成级间匹配，同时级间匹配还可用于调整放大器的增益平坦度。3.4 优化在上述中，我们分别设计了低噪声放大器中的输入、输出匹配网络。经过上面的步骤，我们己经能确保得到较小噪声系数和输入驻波比的电路，但一个能投入生产和使用的低噪声放大器不仅要满足较小的噪声系数和输入驻波比，而且在稳定性、 输入驻波比、 增益等各项指标都要符合要求。因此，我们还需要进行进一步的电路优化。在优化过程中， 我们首先设置变量，既电路中每个元件的变化范围。然后给仿真原理图增加优化仿真器，设定仿真变量，并将设计目标值作为仿真目标，优化仿真变量，得到达到预设目标的最佳电路设计参数。并将最佳参
11、数输入到变量VAR 中。步骤为：首先设定元件变量 VAR(至少有一个变量)，并给定初始变化范围，在进行S 参量仿真时，设置优化目标，选择设计目标作为优化目标。在设计好第一级和第二级输入输出匹配网络后，中间级间匹配网络需要进行电路的简化。为提高参数，故用ADS 进行电路优化，其中加入控件，并添加GOAL ，分别对其参数进行设置。优化后得到电路如图4 所示。CC10C=10 nFCC6C=33 pFTermTerm2Z=50 OhmNum=2CC4C=2.56 pFTermTerm1Z=50 OhmNum=1LL10L=15.05 nHCC7C=33 pFLL9L=14.75 nHRR6R=200
12、 OhmCC3C=2.37 pFLL8L=14.01 nHLL6L=1nHRR8R=200 OhmLL5L=150.0 nHRR7R=55.2 k OhmRR9R=400 OhmS2PSNP3File=BFR505E.S2P21RefS2PSNP4File=BFR505E.S2P21RefCC5C=2.53 pFRR10R=400 OhmRR11R=55.2 k OhmLL11L=150.0 nHLL12L=1nHV_DCSRC3Vdc=5.0 V图 4 LNA 电路原理图3.5 仿真结果电路设计完成后，对图 4 所示电路在工作频段内进行仿真，得到以下仿真结果，结果表明设计达到预期设计目标。名
13、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - http:/ -5- m1freq=m1=1.720900.0MHz0.750.800.850.900.950.701.002.02.53.03.54.04.51.55.0freq, GHznf(2)m1图 5 LNA 的噪声系数图 6 所示为仿真所得的S 参数，从图中可看出，在900MHz 时，增益为25.151dB。且在工作频带上增益平坦，说明稳定性较好。m2freq=m2=25
14、.151900.0MHz0.750.800.850.900.950.701.00-60-40-20020-8040freq, GHzdB(S(1,1)dB(S(1,2)dB(S(2,1)m2dB(S(2,2)图 6 LNA 的 S参数4.低噪声放大器的测量结果将仿真设计出来的电路制板，焊接实际中所用元器件并调制后，利用测试仪器对该系统中低噪声放大器进行测试，得到增益在工作频段范围内的值如图7 所示， 此时输入为 12dB，则在 900MHz 时增益为 12（ 12）24dB。表 2 为 LNA 噪声系数的测量结果。结果表明NF2dB ，符合设计的要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载
15、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - http:/ -6- 图 7 LNA 的增益测试结果表 2 LNA 噪声系数的测试结果频率（ MHz ）750 800 850 900 950 1000噪声系数（dB）1.85 1.75 1.72 1.73 1.8 1.9 5.总结本文讨论了飞利浦公司BFR505 的低噪声放大器的设计，利用ADS 设计软件大大缩短了 LNA 的研制周期，在研制过程中，反复协调噪声系数和增益间的矛盾，实验结果表明该低噪声放大器能满足接收机前
16、端的要求。参考文献1 陈邦媛射频通信电路M 北京：科学出版社，2003 年2 方磊射频通信集成电路及其相关模块的研究D 杭州：浙江大学，2004 年Simulation Design of Low Noise Amplifier Guo Huan The School of Information Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, PRC (430070) Abstract The design theory and method of low noise amplifier (LNA) is introduced. The
17、n the process of designing and simulating LNA with ADS is explained in detail. The practical test of the product demonstrate that this LNA meets the predesign features and works well, so this LNA is applied to the receiver Radio Frequency (RF) front-end. Keywords: Low Noise Amplifier, Noise Figure, Simulate, Optimize 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -