3. 低噪声放大器设计仿真及优化
3.1 设计目标
本文低噪声放大器的设计目标是：
频率：2.1GHz~2.4GHz 噪声系数：小于0.5dB (纯电路噪声系数不考虑连接损耗)
增益：大于15dB 增益平坦度：每10MHZ 带内小于0.1 dB
输入输出驻波比：小于2.0 输入输出阻抗：50Ω
3.2 仿真设计
在较高的频段设计低噪声放大器，通常选用场效应管FET 和高电子迁移率晶体管（HEMT）。影响放大器噪声系数的因素有很多，除了选用性能优良的元器件外，电路的拓扑结构是否合理也是非常重要的。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，放大器存在着最佳的信号源阻抗Zso，如果所示，此时，放大器的噪声系数应该是最小的，所以放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计，也就是根据所选晶体管的Гopt 来进行设计。为了得到较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出匹配电路则采用共扼匹配。输入匹配电路在达到最佳噪声时，放大器的输入阻抗未必恰好与信号源阻抗匹配，因而功率放大倍数不是最大。设计放大器时，首先考虑的是噪声尽可能低，其次才考虑增益的问题。因此，牺牲一点增益来换取噪声系数的降低是必要的，两者之间应该取一个合适的折中。LNA 采用两级放大的方式来实现，为使放大器具有更低的噪声，第一级的工作点应根据最小噪声系数来选取最佳的工作电流。为保证有足够的增益，第二级应从最佳增益条件来考虑，同时兼顾噪声。
具体的设计流程：
1．首先选择合适的器件。选择适用于工作频率且具有可接受的增益和噪声系数的BJT、JEFT 和MESFET。工作频率在6GHz 以下时，大多使用双极晶体管；工作频率在6GHz 以上时，大多选用场效应晶体管。而且，通常要求晶体管的截至频率大于或等于2-3 倍的工作频率。低噪声放大器则要求截至频率更高一些。本文选取NEC 公司低噪声产品系列的
NE3210S01 N 沟道HJ－FET，其性能如图2 所示，它在2－4GHz 的频宽内增益在18dB 以上，噪声系数在0.5dB 以下，符合设计指标。上网下载并安装NEC 公司提供的ADS Design Kit for NEC Electronics，该工具包集成了NEC 系列低噪声放大器的FET、JBJT、HJ-FET，安装在ADS 中后可以从元件库面板中选择所需的管子。由于Design Kit 中的元器件是已经封装好的晶体管，所以无需再在ADS 中建立其Spice 模型，直接从手册中查到所选取管子在特定偏置下的各个工作点的S 参数，从中选择恰当的工作点，使得以此为依据在电路原理图中设计偏置电路。合适且稳定的工作点决定了管子的动态范围，是保证放大器不出现平顶失真的前提，而且直接影响放大器的高频稳定性，本文选择典型的静态工作点VDS＝2.0V，ID＝10mA【4】。
图2 NE3210S01 的S 参数以及增益、噪声特性
2.晶体管S 参数的测量并确定工作点。利用ADS 的S 参数仿真在所需要的频带内求出低噪管的S 参数，并与手册所提供的S 参数对比，通过调整栅源电压VGD 不断修正S 参数最终得到合适的偏置电路。由于外界因素中温度对回路的Q 值影响最大，故偏置电路在S参数仿真时应注意按照提示窗口所给出的信息修改模型的温度，本文管子的仿真环境温度为16.85℃。加好偏置电路之后测试结果如图3 所示VGD＝-0.526v, ID=9.87mA,VD=2.0V。
图3 低噪管的I－V 特性
图4 稳定判据μ 参数的频率响应曲线
3．低噪管稳定性的判断。稳定性的判断可以通过K-Δ 公式或源端和负载端稳定系数圆来判断，前者通常用来判断放大器是否处于绝对稳定的情况。对于低噪声放大器的第一级，主要性能是以降低噪声系数为目标的，故常处于条件稳定的情形，而设计最大增益放大器时采用双端共轭匹配，这时候射频电路必须处于绝对稳定才能保证复数共轭同时成立。
在S 参数仿真中添加源稳定判别圆和负载稳定判别圆，等增益圆和噪声系数圆等控件，并分别设置好参数大小，本文选取增益分别为8dB、15dB、20dB，噪声系数NF=0.5dB，在仿真后的smith 圆图显示出系列圆图，如图5 所示。找到稳定区域，由于S11 的绝对值小于1，故smith 圆图内处于源稳定判别圆外的ΓS 都是稳定的。但是由输出稳定判别圆可以看出该低噪管在工作频率下输出并非绝对稳定，为了避免自激的发生，实现全频带的稳定性，可以通过负反馈手段使晶体管进入稳定状态。常用的手段是在场管源极串接一电感或者传输线，这样可以改变放大器的输入阻抗，从而通过调整源极影响S11*使之靠近Гopt, 有利于噪声匹配和输入端功率匹配的同时实现，而且实际上源极反馈对放大器噪声的影响很小。本文在低噪管源端串联一个1.0nH 的电感，使晶体管处于绝对稳定状态，由μ 判据可以看出在3－6Ghz 频段内放大器都处于绝对稳定状态，如图4 所示。另外在输出串联一个15Ohm 电阻，用来改善放大器的增益平坦度和输出驻波比。
