1 定性分析

1.1 晶體管的建模

通過網(wǎng)絡(luò)可以查閱晶體管生產(chǎn)廠商的相關(guān)資料，可以下載廠商提供的該款晶體管模型,，也可以根據(jù)實際需要下載該管的S2P文件,。本例采用直接將該管的S2P文件導(dǎo)入到軟件中，利用S參數(shù)為模型設(shè)計電路,。如果是第一次導(dǎo)入,，則可以利用模塊SParams進(jìn)行S參數(shù)仿真，觀察得到的S 參數(shù)與S2P文件提供的數(shù)據(jù)是否相同,，同時,，測量晶體管的輸入阻抗與對應(yīng)的最小噪聲系數(shù)，以及判斷晶體管的穩(wěn)定性等,，為下一步驟做好準(zhǔn)備,。

1.2 晶體管的穩(wěn)定性

對電路完成S參數(shù)仿真后，可以得到輸入/ 輸出端的mu 在頻率2~2.2GHz 之間均小于1,，根據(jù)射頻相關(guān)理論,，晶體管是不穩(wěn)定的,。通過在輸出端并聯(lián)一個10Ω和5pF的電容,，m2和m3的值均大于1，如圖1,，圖2 所示,。晶體管實現(xiàn)了在帶寬內(nèi)條件穩(wěn)定，并且測得在2.1GHz時的輸入阻抗為16.827- j16.041,。同時發(fā)現(xiàn),，由于在輸出端加入了電阻，使得Fmin由0.48增大到0.573,，Topt 為0.329 ∠125.99°,，Zopt=（30.007 +j17.754）Ω 。其中,，Topt是最佳信源反射系數(shù),。

圖1 利用模塊SParams 進(jìn)行仿真的電路原理圖

圖2 輸入/ 輸出mu 與頻率的關(guān)系

1.3 制定方案

如圖3所示,，將可用增益圓族與噪聲系數(shù)圓族畫在同一個Ts平面上。通過分析可知,，如果可用增益圓通過最佳噪聲系數(shù)所在點的位置,，并根據(jù)該點來進(jìn)行輸入端電路匹配的話，此時對于LNA而言,，噪聲系數(shù)是最小的,，但是其增益并沒有達(dá)到最佳放大。因此它是通過犧牲可用增益來換取的,。在這種情況下,，該晶體管增益可以達(dá)到14dB左右，F(xiàn)min大約為0.48,，如圖3所示,。

另一種方案是在可用增益和噪聲系數(shù)之間取得平衡，以盡可能用小噪聲匹配為目標(biāo),，采用在兼顧增益前提下的設(shè)計方案,。在這種情況下該晶體管增益大約為15dB左右， Fmin大約為0.7(見圖3),。這個就是本文中提到的第2種方案,。

圖3 同一個Ts平面上的可用增益圓族與噪聲系數(shù)圓族

2 以最佳噪聲系數(shù)為設(shè)計目標(biāo)方案的仿真

2.1 輸入匹配電路設(shè)計

對于低噪聲放大器，為了獲得最小的噪聲系數(shù),，Ts有個最佳Topt系數(shù)值,，此時LNA達(dá)到最小噪聲系數(shù)，即達(dá)到最佳噪聲匹配狀態(tài),。當(dāng)匹配狀態(tài)偏離最佳位置時,，LNA的噪聲系數(shù)將增大。前面定性分析中已經(jīng)獲得Topt=0.329∠125.99°,，以及對應(yīng)的Zopt=30.007 + j17.754Ω下面可以利用ADS 的Passive CIRcuit / MicorST rip Co nt ro lWindow 這個工具,，自動生成輸入端口的匹配電路。

在原理圖中添加一個DA_SSMatch1 的智能模塊,，然后修改其中的設(shè)置：F=2.1GH z,，Zin=50Ω。值得注意的是,，利用該工具生成匹配電路時,，Zload 是Zopt 的共軛。設(shè)置完畢后,，再添加一個MSub的控件,，該控件主要用于描述基板的基本信息，修改其中的設(shè)置為H=0.8mm,，Er=4.3,，Mur=1,，CONd=5.88 × 107 ，H u=1.0e + 33mm,，T=0.03mil,。設(shè)置完后，即可進(jìn)行自動匹配電路的生成,，結(jié)果電路如圖4所示,。

圖4 輸入端口的匹配電路

將輸入匹配電路添加到圖1后再進(jìn)行S參數(shù)的仿真?？梢钥吹?，最佳噪聲系數(shù)Topt 的位置由于輸入匹配電路的加入而成功匹配到50Ω的位置。

2.2 輸出端匹配電路設(shè)計

根據(jù)最大功率增益原則進(jìn)行輸出端匹配電路的設(shè)計(考慮到輸出穩(wěn)定電路的存在,，對輸出阻抗的影響,，在進(jìn)行輸出阻抗測量時要把穩(wěn)定電路計算在內(nèi))，即將輸出阻抗(Zout=8.055- j8.980,，如圖5所示)使用上述的方法匹配到50Ω ,。得到的輸出端匹配電路如圖6所示。

圖5 輸出阻抗匹配

圖6 輸出端匹配電路

2.3 仿真結(jié)果

觀察最后的仿真結(jié)果可以看到,，增益為14.4dB,；噪聲系數(shù)為0.586，這與穩(wěn)定后的晶體管最佳噪聲系數(shù)0.573非常接近,，且增益平坦度低,，穩(wěn)定性能優(yōu)異。具體性能指標(biāo)如圖7所示,。

圖7 原理圖仿真數(shù)據(jù)

3 以噪聲系數(shù)為主兼顧增益為設(shè)計目標(biāo)方案的仿真

3.1 輸入匹配電路設(shè)計

如果選擇基板材料為環(huán)氧玻璃FR4基板,，介電常數(shù)為4.3，厚度為0.8mm,，則2.1GHz 時的晶體管輸入阻抗為16.827- j16.041,。采用上述匹配電路生成方法，輸入匹配電路采用ADS設(shè)計向?qū)е械膯沃Ч?jié)模塊來設(shè)計,?？梢院芸斓玫綀D8中的匹配電路,。如圖9所示,，圖中m6=50（0.927+ j0.001）。與50Ω的非常接近,，所以得出的輸入端匹配情況比較合理,。

圖8 輸入匹配電路

圖9 加入輸入匹配電路后的S 11 的smit h 原圖

3.2 輸出匹配電路設(shè)計

在完成輸入匹配電路設(shè)計之后，可以對輸出匹配電路進(jìn)行設(shè)計,。在此充分發(fā)揮CAD軟件的優(yōu)勢,，借助優(yōu)化的方法來實現(xiàn),。基本過程如下：

將輸入匹配電路的結(jié)果添加到圖10中,，并在晶體管輸出端添加如圖所示的微帶,。調(diào)出優(yōu)化控件，并將優(yōu)化的目標(biāo)設(shè)置為dB（S ）11））為- 20, dB（S （22））為- 15,。

在優(yōu)化開始時,，先將T L1, T L2, TL3 寬度設(shè)置為61.394mil，這是為了保障在考慮到板材,、板材厚度等因素下微帶線的特性阻抗為50Ω,。預(yù)設(shè)T L1, T L2,TL3的長度，優(yōu)化一次后,，刷新結(jié)果,，觀察各種圖表的指標(biāo)是否更好，數(shù)值是否達(dá)到設(shè)置的最大值,，如果達(dá)到最大值,，再次改變設(shè)置值重新優(yōu)化。反復(fù)多次后,，將會達(dá)到再次改變這幾個數(shù)值,，若改變后對于各種指標(biāo)作用不大，可以嘗試改變電阻和輸入匹配的數(shù)值再進(jìn)行優(yōu)化,。

通過多次調(diào)試發(fā)現(xiàn),，R1設(shè)為15Ω，以及加上TL7后,，增益和噪聲系數(shù)以及輸入輸出駐波比效果更好,。仿真電路原理圖及優(yōu)化控件和目標(biāo)控件如圖10所示。

圖10 仿真電路原理圖及優(yōu)化控件和目標(biāo)控件

3.3 仿真結(jié)果

觀察最后的仿真結(jié)果可以看到,，增益為15.816dB,；噪聲系數(shù)為0.708，該指標(biāo)均比定性分析時的都要好,，其他性能指標(biāo)如圖11所示,。

圖11 原理圖仿真數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

通過對晶體管進(jìn)行定性分析，可以根據(jù)實際需要選擇低噪聲前置放大器的設(shè)計方案,，第一種方案的最佳噪聲系數(shù)是以犧牲增益而得到的,；第二種方案是以提高噪聲系數(shù)為代價，降低駐波比VSWR的值得到的,。2種方法利用計算機(jī)輔助設(shè)計工具均可以快速實現(xiàn),，各有各自的存在價值，這在很多場合都得到了應(yīng)用,。