利用ADS设计低噪声放大器

摘要: 介绍了一种利用ADS仿真器设计低噪声放大器的方法。先总体阐述了低噪声放大器的主要技术和性能指标,然后在采用NEC的2SC5507 (NE661M04)管的基础上,依据低噪声放大器的各项指标来同步进行电路的设计、优化和ADS仿真,最后使得低噪声放大器的设计结果达到设计初期的期望值,并成功地完成了低噪声放大器的电路设计。[edatop.com]

低噪声放大器性能指标及设计步骤

低噪声放大器的性能指标

频率范围: 2. 0 ～2. 25 GHz;信号源阻抗: 50Ω;增益> 10 dB;噪声系数< 2 dB;稳定性: Unconditional。

设计步骤

放大器级数(选择一级) ;晶体管选择;电路拓扑结构;电路初步设计;用Advance Design System 2005A (ADS)软件进行设计、优化、仿真模拟。

低噪声放大器的主要技术指标

LNA的噪声系数和噪声温度

放大器的噪声系数N_F 可定义如公式1:

式中, N_F 为微波部件的噪声系数; S_in、N _in分别为输入端的信号功率和噪声功率; S_out、N_out分别为输出端的信号功率和噪声功率。通常,噪声系数用分贝数表示。此时放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度T_e来表达。

噪声温度T_e与噪声系数N_F 的关系如公式(2) :

式中, T₀ 为环境温度,通常取为293 K。

LNA的功率增益、相关增益与增益平坦度

功率增益通常是指信源和负载都是50Ω 标准阻抗情况下实测的增益。实际测量时,常用插入法,即用功率计先测信源给出的功率P₁ ; 再把放大器接到信源上, 用同一功率计测放大器输出功率P₂。功率增益(G)等于P₂除以P₁。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。噪声最佳匹配点并非最大增益点,通常,相关增益比最大增益大概低2～4 dB。功率增益的大小还会影响整机噪声系数。公式3给出简化的多级放大器噪声系数表达式。

式中,N_f 为放大器整机噪声系数; N_f1、N_f2、N_f3分别为第1、2、3级的噪声系数; G₁、G₂分别为第1、2级功率增益。

当增益G₁和G₂足够大的时候,整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。因此多级放大器第一级噪声系数大小起决定作用。增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏, 常用最高增益与最小增益之差,即ΔG表示。

工作频带

工作频带不但是指功率增益满足平坦度要求的频带范围,而且还要在全频带内使噪声满足要求,并给出各频点的噪声系数。

动态范围

动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的上限受非线性指标限制。动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数N_f给定时,输入信号功率允许最小值计算如公式(4) :

式中,Δf_m 为微波系统的通频带;M 为微波系统允许的信号噪声比, 或信号识别系数; T₀ 为环境温度293 K。