基于ADS的射频低噪声放大器的设计与仿真

摘要：应用E-PHEMT器件ATF-58143设计了一款增益约20 dB，噪声系数小于0．5 dB的低噪声放大器。采用负反馈保证系统的稳定性，利用匹配网络保证了低噪声系数和高增益。结合该实例介绍了借助ADS软件进行低噪声放大器的设计方法，给出设计步骤，并对仿真结果进行了分析，对于LNA的研究与设计具有重要意义。
关键词：低噪声放大器；噪声系数；ADS软件；匹配

从天线接收的微弱信号由处于射频接收机前端的放大器进行放大，因此要求该放大器具有一定的增益和较小的噪声系数。
本文借助Agilent公司的射频电路设计软件ADS(Advanced Design System)进行辅助设计一款高增益低噪声放大器(LNA)，并对其进行了仿真验证。

1射频放大器的组成
单级射频放大器的组成如图1所示，包括射频晶体管放大电路和输入、输出匹配网络三部分。

2 射频放大器的设计
2．1 晶体管的选择
选择好晶体管器件对低噪声放大器的设计至关重要。
根据工作频率、增益和噪声系数等指标要求，同时考虑到设计、仿真时便于得到相应的元器件模型，最终选用Avago公司的高电子迁移率晶体管(E-PHEMT)ATF-58143来进行设计(可以在Avago公司的网站上下载到ATF-58143的元件模型)。
2．2 偏置电路的设计
设计LNA首先需要确定静态工作点，利用ADS中的“DC_FET_T”的模板可以很方便地仿真出其输出特性曲线。再参考ATF-58143的datash eet，可以确定当Vds=3 V，Ids=35 mA时，各项设计指标满足要求。
确定静态工作点后，就要确定偏置电路的形式和参数。不需人工计算，借助ADS中的设计向导工具(DesignGuide→Amplifier→Tools→ Transistor Bias Utility)可以轻易完成。因为ADS所提供的元件数值是非标称的，所以需要设计者用与ADS提供的数值接近的标称元件进行替代。偏置电路及各点静态参数如图2所示。

2．3 稳定性分析及改善
晶体管绝对稳定的条件是K>1，|△|1。其中：

如果这两个条件不能同时得到满足，电路将存在潜在的不稳定和振荡的可能。对上述偏置条件下的晶体管进行稳定性仿真分析发现，在要求的工作频段内其稳定系数K1，不满足绝对稳定的条件。
通过引入负反馈的方式可以改善电路的稳定性，同时也能够拓展工作带宽。在输出端和输入端之间串联RC电路引入负反馈，其中的R需要满足条件：

同时在两个源极加上小的电感引入负反馈进一步改善稳定性，该电感的值需反复调节后方能确定。
对引入负反馈后的电路再次仿真，其工作频带内稳定系数K>1，满足绝对稳定条件。