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基于ADS的低噪声放大器电路设计

2020-02-29 23:58rf射频/无线 人已围观

简介低噪声放大器广泛应用于通信、遥感遥控、电子对抗、智能测绘、广播电视及各种高精度射频接收系统中,其主要功能是将低电压信号进行小信号放大。目前各种电路需要的低噪声放大...

  低噪声放大器广泛应用于通信、遥感遥控、电子对抗、智能测绘、广播电视及各种高精度射频接收系统中,其主要功能是将低电压信号进行小信号放大。目前各种电路需要的低噪声放大器要满足噪声系数低、足够的增益、工作稳定性好、足够的带宽和大的动态范围。因此设计放大器要充分考虑其带内反射、增益、NF 和稳定性等重要指标。本文设计的低噪声放大器,要求频率范围为 376MHz-420MHz,输入和输出端口反射小于-15dB,增益大于等于 20dB,稳定性系数大于等于1,噪声系数不大于 1.2dB。
  
  1 主要电路设计
  
  1.1放大器选型
  
  根据设计要求,需合理选择低噪声放大管 :本文选择低噪声放大管AT41511。在 NF、增益以及 1dB 压缩点均满足实际设计要求。采用 ADS 软件,进行电路设计,然后进行仿真测试, 测试设计电路各项性能指标是否符合要求。(PHEMT)AT41511 管在集电极和基极之间接入一个串联的RC 反馈。这样调整电阻 R 以及电容 C 的值就可以改善输入输出匹配,并且通过牺牲低频增益改善稳定度。
  
  1.2偏置电路设计
  
  完成配件选型后,需要下载和安装晶体管的库文件 :采用ADS 对设计电路进行仿真,考虑到仿真的准备性,需要下载芯片器件的 ADS 仿真文件。
  
  晶体管放大器的偏压设计都以一个电源供应配合电阻网络组成。为获得较低的噪声系数参考 AT-41511 手册选定直流工作点为 Q(VCE,IC) 即 VCE=5.0V,IC=5mA 且已知:
  
  公式1
  
  VCC=6V, 取近似值
  
  根据以下公式可以得到直流偏置电路电阻 RB、R1、RF、RC 的阻值。
  
  公式2
  
  采用集电极反馈的偏置电路如图 1 所示。
  图 1 直流偏置电路设计
  图 1 直流偏置电路设计
  
  由于实际器件参数和 ADS 器件库中模型参数有一定的差异,即使同一批器件由于工艺上的偏差,其单个器件参数也有所不同,故上述计算只能得到偏置电路的大致参数。之后在 PCB 实际调试的时候,首先调整偏置电路各电阻的阻值以使晶体管偏置在所需要的状态下。
  
  1.3噪声匹配设计
  
  低噪放电路的稳定性设计是非常重要的环节,一般至少要求稳定性系数≥ 1,通常采用的稳定措施是加负反馈,但施加负反馈往往会降低增益,这需要在两者之间进行权衡。稳定性系数达到要求后,接下来进行的是噪声系数的分析,噪声系数与电路的输入端阻抗有直接的关系的,此部分的主要目的通过等噪声系数圆找出最佳的输入阻抗,实现噪声系数圆和输入信号的匹配。在完成了最佳噪声系数设计后,需要实现最大电路增益,通常通过输出端的阻抗匹配来实现。另外,系统的稳定性、增益、噪声系数、互调指标、带内发射之间存在相互抑制的关系,需要通过对各指标进行权衡,匹配网络需要适度的调整。
  
  2 电路仿真实现
  
  采用 ADS 仿真软件对电路进行仿真,同时考虑实际焊盘的影响,分别对稳定性系数、NF、反射系数以及增益进行仿真,如图 2-4 所示。
  图 2  稳定性系数和 NF 仿真结果
  图 2  稳定性系数和 NF 仿真结果
  图 3  反射系数和增益仿真结果
  图 3  反射系数和增益仿真结果
  图 4  1dB 增益压缩点
  图 4  1dB 增益压缩点
  
  从上面仿真的结果来看,电路 是稳定的。K 值在~ 0.6GHz 范围内都 >1,噪声系数 1dB,增益 20dB,反射系数 S11 和S22 均小于-15dB,均满足设计要求。经过仿真发现,为此必须在噪声、增益及输入反射系数之间权衡,牺牲适度的噪声系数换取输入端口反射系数的减小和带内增益的平坦度。故需要进一步设置优化目标和变量优化范围,经数次优化仿真才能得到较为理想的结果。
  
  3 结论
  
  通过 376-420MHz 低噪声放大器电路的设计,利 用AT41511 管子的低噪声特性,减少模块的内部噪声,降低低噪声模块的噪声电平,使整机的灵敏度提高。在设计的过程当中应该充分考虑电路设计的可实现性,端口反射、增益、NF 和稳定性系数是一个相互制约的过程 ;另外,放大器电路的总噪声取决于放大器本身、外部电路阻抗、增益、电路带宽和环境温度等参数。电路的外部电阻所产生的热噪声也是总噪声的一部分。在实际的设计中需要充分权衡各部分的指标分配。

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