低噪声放大器的设计与仿真

基本的理论知识

作为接收机的第一级，必须提供足够的增益来克服后续各级电路（如混频器，滤波器和中频放大器）的噪声。除了提供一定的增益而又附加尽可能小的噪声以外，一个低噪声放大器还应能接收一定的大信号而不失真，并且还对输入信号源表现出一个特定的阻抗，通常是50Ω或75Ω。这最后一个考虑在低噪声放大器的前级是一个无源滤波器时特别重要，因为许多滤波器的传输特性对于终端阻抗的情况十分敏感。

为了均衡增益、输入阻抗、噪声系数以及功耗，满足系统要求，对低噪声放大器设计一般有以下要求：1、提供足够的增益以减小低噪声放大器后续电路对系统噪声影响，但是低噪声放大器的增益也不可能太大，否则没有被通道滤波器滤除的大干扰信号可能会超过混频器的线性范围；2、产生尽可能小的噪声和信号失真；3、提供输入和输出端的50Ω或75Ω阻抗匹配，尽量减少外接元件，力求增益与外接元件无关；4、保证信号的线性度；5、接收机信号的强度从-120dBm~-20dBm之间，在低噪声放大器设计中，力求上述性能指标达到最优，但通常较难实现。在实际设计中，这些要求往往相互牵制、影响甚至矛盾，因此在进行低噪声放大器设计时，如何采样折中原则兼顾各项指标是尤为重要的。

低噪声放大器的指标参数主要包括：噪声系数、功率增益、增益平坦度、工作频带、动态范围、端口驻波比与反射损耗、稳定性几大类。噪声系数的物理含义是：信号经过放大器之后，由于放大器产生噪声，使得信噪比变坏，信噪比下降的倍数就说噪声系数。功率通常是指信号源和负载都是50Ω标准阻抗情况下实测的增益，增益是指输出增益与输入增益的比，作为多级低噪声放大器增益，一般在20~40dB之间，增益平坦度是指工作频率内功率增益的起伏，通常用最高增益与最小增益之差来表示。工作频率不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带噪声系数满足设计要求。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范围。驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗;驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。当放大器的输入端和输出端的反射系数的模都小于1时，不论源阻抗或载阻抗如何，网络都是稳定的，这时称为绝对稳定。当输入端或输出端的反射系数的模大于1时，网络是不稳定的，这时称为条件稳定。对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围，否则放大器不能稳定工作。

实例目标

低噪声放大器设计指标为：

1、低噪声放大器工作频率为2.4GHz

2、噪声系数：<3dB

3、功率增益：>10dB

4、稳定系数：>1

5、反射系数S11<-10dB，S22<-10dB

实现过程

过程包括：直流仿真（用来选择合适的晶体管）、S参数性能仿真（可以知道放大器的增益，输入输出阻抗以及噪声系数等特性）、匹配电路设计（得到匹配电路）、其他参数仿真（稳定性、噪声系数、输入输出驻波比进行仿真）、整体电路仿真（之前计算得到集电极电阻和集电极-基极电阻、并因此设计电路进行仿真和优化，使稳定系数、噪声系数、输入输出驻波比、增益、S11、S22达到要求）。

一、直流仿真

1、新建工程原理图，和之前一样，进行下载，解压，导入即可 ，模型链接

NPN Wideband Silicon RF Transistor | NXP Semiconductors

2、完成原理图，添加”DC_BJT_T”模板

3、仿真，在这次的实例中，选择Vce=2.75V，功率管的电流为4mA，消耗的功率为12mW。

二、S参数特性仿真

1、新建一个原理图“LNA_SP”，添加S参数仿真模板，完成原理图绘制。

2、对S参数仿真控制器进行设置

3、对其进行仿真

4、对数据进行标注，很容易导致阻抗不匹配，所以还需要对电路进行优化设计。

5、噪声系数在2.4GHz时为0.042db。

三、匹配电路的设计

1、新建原理图“LNA_SP_match”

2、从“TLines-Microstrip”面板中选择微带参数设置控制器MSUB插入原理图中，并对其进行设置。

3、利用LineCalc工具计算阻抗，匹配为50Ω，相位延迟90度。

4、在面板中添加3个微带元件“MLIN”和一个微带线连接器“MTEE”，插入原理图中，双击元器件分别进行设置。设置如下，按如下进行连接。

5、采用同样的方法建立输出阻抗匹配原理图，完成电路图如下所示

6、对变量进行设置

7、添加S参数仿真控件，并对其进行设置

在“Calculate nosie”前面打勾，计算放大器的噪声系数。

8、添加优化控件和优化目标控件。

完成之后的电路图如下图所示：

9、优化之后进行仿真，得到S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)，可以发现S(1,1)、S(2,2)几乎达到优化条件，S(2,1)只有-0.384dB，这个管子估计不是用来做LNA的，但是可以知道这个流程之后在在使用的时候知道怎么做。

这样就完成了晶体管SP模型的输入、输出阻抗匹配电路设计。在后续采用实际晶体管模型设计时，还需要对输入、输出匹配电路进行调整，以满足最终的设计目标。

四、晶体管SP模型其他参数仿真

完成输入、输出阻抗匹配电路设计后，就可以对晶体管SP模型的稳定性、噪声系数、输入、输出驻波比进行仿真。

1、新建原理图，命名为“LNA_SP_match_sim”，并把“LNA_SP_match”里的原理图复制进去。

2、在S参数仿真面板“Simulation -S_Param”中选择稳定性仿真控制器“StabFct”插入原理图中，再选择两个驻波比仿真控制器插入原理图，并将第二个S11，改为S22，如下图所示：

由于在S参数仿真控制器中已经勾选了“Calculate noise”选项，对噪声系数进行仿真，所以不需要加入额外的仿真控制器，最终完成原理图。

3、完成设置后，在原理图工具栏中单击[Simulate]按钮开始仿真。可以看出稳定系数随频率变化的曲线如下：

噪声系数

驻波比，输入驻波比

输出驻波比

五、低噪声放大器整体电路仿真

对晶体管SP模型进行仿真后，就可以建立完整的低噪声放大器仿真原理图了。首先要通过已知的直流工作点来计算集电极电阻和集电极——基极电阻

1、新建一个”LNA_DC_bias”的原理图，开始对原理图进行设计，并添加三极管。

2、[insert]->[template],添加”BJT_curve_tracer”模板，单机[OK]，完成电路图

3、将直流电压源SCR1中的Vdc改为之前确定的2.75V，并删除参数扫描控制器Parameter sweep，为晶体管的基极加入节点名VBE。最后双击直流仿真控制器，选择Sweep选项进行设置。

整体电路图如下：

4、设置完成后，仿真仿真结果如下：

最后添加一个表格，显示IBB、VBE和IC.i的电压关系如下图所示：

5、在Equation按钮中插入两个公式，计算Rb和Rc

接下来，列一个表将输入输出电阻计算出

可以看见，在IBB为50uA时，”Rb”和“Rc”分别为38720.857欧姆，和5.3欧姆。

完成集电极电阻和集电极-基极电阻计算后，就可以开始对低噪声放大器的电路进行设计了。

低噪声放大器的设计

1、新建一个原理图命名为“LNA_final”,将“LNA_SP_match”中的电路进行复制。

2、完成晶体管的连接，这些器件，在之前的总结中都有写到，所以不做描述。

3、完成电路图如下，并进行优化得到各参数的值：

4、对原理图进行仿真，在这里可以看出，与之前还是有很多区别的。这是因为集电极电阻和集电极-基极电阻导致输出阻抗发生变化而重新进行优化的结果。

5、完成目标后，还需要对低噪声放大器的其他参数指标进行仿真。在S参数仿真面板“Simulation-S_Param”中选择稳定性仿真控制器“StabFct”插入原理图中，再选择两个驻波比插入，完成原理图

6、进行仿真，对噪声系数、输入、输出驻波比进行显示。发现在2.4GHz时噪声系数1.173dB，输入、输出驻波比1.212和1.935，结果比较理想。

这样就完成了低噪声放大器全部的仿真过程，需要注意的是，如果在优化过程中未能达到预期目标，需要进行多次调整。

可能是因为有了前面功率放大器的基础，这一章很顺利，也出现了一些之前用的很少的步骤，但是也用到过，比如说显示的时候的计算公式，显示表格，这里稍微陌生点外其他的还好。