低噪声放大器 LNA 设计步骤和 ADS 仿真
最编程
2024-06-21 15:40:56
...
一、LNA的设计步骤
二、ADS仿真低噪声放大器LNA
放大电路的 S 参数，稳定性，增益圆，噪声圆均可以通过 ADS 进行仿真，特别是在稳定性，增益与噪声的折中选择方面， ADS 仿真起着重要的作用。当然， ADS 仿真还包括最基本的直流仿真。
2.1 静态工作点的确定
LNA属于小信号放大器，一般工作于A类线性放大器状态。在设计之初需要确定的重要参数是Ic/Is和Vce/Vds。对于LNA来讲，Ic/Is和Vce/Vds的大小会影响它的增益、1dB压缩点、三阶交截点、噪声系数等，因此需要根据要求对电流和电压折衷考虑。
BJT是电流控制电流器件，因此为得到所需要的集电极电流Ic，首先需要知道基极电流Ib需要多大。ADS提供了一个模板，可以非常方便地插入到原理图中然后仿真。图1为仿真原理图，图2为仿真得到的直流特性曲线。
图 1 BJT 的直流特性曲线仿真
图 2 BJT 直流特性仿真曲线
2.2 固定基极电流电路（BJT）
为得到 45uA 的基极电流，使用一个系统电源（如常用的 3.3V）时最简单的方法就是固定基流，如图所示
2.3 基极分压偏置电路
在模拟电路中有“基极分压射极偏置电路”，即在图（a）电路的射极再串联一个电阻RE。这样的电路也有着稳定直流工作点的特性，当射极电阻上的电压比较大（一般与三极管的VBE接近）时其作用越明显。不过在系统电压比较低的场合这个电压会降低放大器的输出范围。
这里也可以考虑引入一个反馈电阻RF来稳定直流工作点，如图（b）所示。
根据以上步骤得出各电阻初始值后可以在 ADS 中仿真以观察其直流工作点， 如图所示。
图 BJT 的直流工作点仿真
2.4 稳定性
稳定性是设计放大器必须考虑的一个因素。如果晶体管并非绝对稳定，那么需要采取一些增加稳定性的方法，或者画出稳定性圆，然后选择合适的阻抗。
下图为BF776稳定性验证的原理图和稳定系数mu。可见，在5GHz以下mu<1，该器件是条件稳定的，所以需要采取一些措施来增强稳定性。
图 BF776 的稳定性验证原理图
2.5 等增益圆和等噪声圆
在 ADS 中，可以添加等增益圆和等噪声圆的控件来对增益和噪声进行仿真。如下是 BF776 在上述直流偏置下， 2412MHz 频点的仿真情况：
图 BF776 等增益圆和等噪声圆仿真原理图
图 BF776 等增益圆
图 BF776 等噪声系数
一、LNA的设计步骤
二、ADS仿真低噪声放大器LNA
放大电路的 S 参数，稳定性，增益圆，噪声圆均可以通过 ADS 进行仿真，特别是在稳定性，增益与噪声的折中选择方面， ADS 仿真起着重要的作用。当然， ADS 仿真还包括最基本的直流仿真。
2.1 静态工作点的确定
LNA属于小信号放大器，一般工作于A类线性放大器状态。在设计之初需要确定的重要参数是Ic/Is和Vce/Vds。对于LNA来讲，Ic/Is和Vce/Vds的大小会影响它的增益、1dB压缩点、三阶交截点、噪声系数等，因此需要根据要求对电流和电压折衷考虑。
BJT是电流控制电流器件，因此为得到所需要的集电极电流Ic，首先需要知道基极电流Ib需要多大。ADS提供了一个模板，可以非常方便地插入到原理图中然后仿真。图1为仿真原理图，图2为仿真得到的直流特性曲线。
图 1 BJT 的直流特性曲线仿真
图 2 BJT 直流特性仿真曲线
2.2 固定基极电流电路（BJT）
为得到 45uA 的基极电流，使用一个系统电源（如常用的 3.3V）时最简单的方法就是固定基流，如图所示
2.3 基极分压偏置电路
在模拟电路中有“基极分压射极偏置电路”，即在图（a）电路的射极再串联一个电阻RE。这样的电路也有着稳定直流工作点的特性，当射极电阻上的电压比较大（一般与三极管的VBE接近）时其作用越明显。不过在系统电压比较低的场合这个电压会降低放大器的输出范围。
这里也可以考虑引入一个反馈电阻RF来稳定直流工作点，如图（b）所示。
根据以上步骤得出各电阻初始值后可以在 ADS 中仿真以观察其直流工作点， 如图所示。
图 BJT 的直流工作点仿真
2.4 稳定性
稳定性是设计放大器必须考虑的一个因素。如果晶体管并非绝对稳定，那么需要采取一些增加稳定性的方法，或者画出稳定性圆，然后选择合适的阻抗。
下图为BF776稳定性验证的原理图和稳定系数mu。可见，在5GHz以下mu<1，该器件是条件稳定的，所以需要采取一些措施来增强稳定性。
图 BF776 的稳定性验证原理图
2.5 等增益圆和等噪声圆
在 ADS 中，可以添加等增益圆和等噪声圆的控件来对增益和噪声进行仿真。如下是 BF776 在上述直流偏置下， 2412MHz 频点的仿真情况：
图 BF776 等增益圆和等噪声圆仿真原理图
图 BF776 等增益圆
图 BF776 等噪声系数