基于ADS的S波段平衡式宽带低噪声放大器设计
来源： 作者： 发布时间：2016-01-16 08:06:05 浏览量：2 LNA的指标和设计
2．1 LNA设计指标
LNA设计指标如表1所示。
2．2 微带线的设计
S波段的电路主要采用分布式参数进行设计。因为频率较高，所以微带线的性能对信号传输的影响很大。在该设计中，除了微带线采用50 Ω特征阻抗以外，对微带线的拐角用HFSS进行了专门的性能仿真和设计。仿真模型如图2所示。
经过仿真，确定微带线拐角的切角长度大致为50 Ω微带线宽度的20％时传输效果最好。
2．3 分支低噪声放大器仿真和版图设计
平衡式LNA的每一支路的LNA为相同性能的两个LNA。在该设计中重点关注它们的增益平坦度和噪声系数的指标，因为平衡式放大器输入／输出驻波比这一性能由耦合器来决定，所以设计分支放大器时，驻波比可以先不关注。
2．3．1 晶体管的选择和偏置电路的设计
晶体管选择AVAGO公司的EPHEMT(增强型假晶高电子迁移率晶体管)ATF-54143。AVAGO公司提供可以在ADS软件里进行仿真的ATF541一体电感器43的Spice模型，所以可以直接在ADS里做放大器的直流、交流、S参数、谐波等各类仿真而不必受到在一定偏置条件下S参数的束缚。由ATF54143的芯片资料以及综合考虑噪声系数等因素，该设计确定ATF54143的偏置为Vds=3 V，Id=25 mA。经过仿真优化以及考虑到标称电阻值的问题，最后确定的偏置电路如图3所示。
2．3．2 源极反馈电路的设计
一般的放大器网络为共源极结构，栅极为输入端，漏极为输出端。放大器能正常绕行电感工作的前提是电路是稳定的，即稳定因子K>1。改善放大器稳定性的途径有在栅极加串联电阻和增加反馈电路等。在栅极加串联电路虽然可以增加稳定性，但恶化了噪声系数，而源极负反馈因为不涉及电路的信号通路，所以对放大网络噪声的影响很小。通过给晶体管加入源极负反馈，可以改善晶体管的稳定状态。通常源极负反馈都是加入电感性元件。但是电感值通常太小，所以不用集总元件实现，而是使用终端短路微带线来实现。该设计采用源极加终端短路微带线的方式，通过ADS仿真可以较为准确的评估晶体管的稳定性。
2．3．3 输入／输出匹配设计和仿真
在设计匹配网络的时候，选择合理的拓扑结构对于低噪工字电感器声放大器的设计至关重要。本文采用的拓扑结构是并联导纳式结构差模电感器，即利用串联微带传输线进行导纳变换，然后并联一个微带分支线，微带线的终端开路(或短路)，用其输入导纳作为补偿电纳，以达到电路匹配。因为是最前端的低噪声放大器，所以输入端匹配电路按照最小噪声系数进行匹配，当ΓS=Γopt时，噪声系数最小，NF=NFmin。当ΓS≠Γopt时，
选取等噪声系数圆上的最佳噪声系数点的阻抗做输入端匹配。输入端匹配完成之后，输出端匹配按照最大增益进行匹配。在ADS里可以进行原理图和版图仿真的调谐和优化。因为频带内增益平坦度也是一个重要指标，所以在设计的过程中增益平坦度和噪声系数之间需要做一个折中和妥协。分支LNA的版图如图4所示。
ADS中可以把layout中的无源电路和原理图中的元器件有机结合在一起进行联合仿真，既考虑到了版图的场的效应，又考虑到原理图中有源器件和集总元件的路的效应。这样仿真结果和实测结果可以非常接近，大大缩短制版调试的周期。由仿真结果可以得出：分支LNA的增益达到了10．6 dB，频带内增益平坦度小于0．5 dB，噪声系数小于1．003 dB，稳定性系数K在1．02～1．06之间。放大器为无条件稳定。因为设计中使用的为ATF54143的Spice模型，因此在ADS中可以作谐波仿真。由仿真结果可得，分支LNA的输出P1 dB压缩点为17．7 dBm，此时输入功率为8．5 dBm。由ATF54143的芯片资料可得，该晶体管的输出1 dB压缩点约为20．4 dBm。因为电路采用晶体管源极负反馈以及宽带低噪声匹配牺牲了部分增益，所以电路的1 dB压缩点有约2 dB多的下降。
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