基本的理論知識(shí)

作為接收機(jī)的第一級，必須提供足夠的增益來克服后續(xù)各級電路（如混頻器，濾波器和中頻放大器）的噪聲。除了提供一定的增益而又附加盡可能小的噪聲以外，一個(gè)低噪聲放大器還應(yīng)能接收一定的大信號(hào)而不失真，并且還對輸入信號(hào)源表現(xiàn)出一個(gè)特定的阻抗，通常是50Ω或75Ω。這最后一個(gè)考慮在低噪聲放大器的前級是一個(gè)無源濾波器時(shí)特別重要，因?yàn)樵S多濾波器的傳輸特性對于終端阻抗的情況十分敏感。

為了均衡增益、輸入阻抗、噪聲系數(shù)以及功耗，滿足系統(tǒng)要求，對低噪聲放大器設(shè)計(jì)一般有以下要求：1、提供足夠的增益以減小低噪聲放大器后續(xù)電路對系統(tǒng)噪聲影響，但是低噪聲放大器的增益也不可能太大，否則沒有被通道濾波器濾除的大干擾信號(hào)可能會(huì)超過混頻器的線性范圍；2、產(chǎn)生盡可能小的噪聲和信號(hào)失真；3、提供輸入和輸出端的50Ω或75Ω阻抗匹配，盡量減少外接元件，力求增益與外接元件無關(guān)；4、保證信號(hào)的線性度；5、接收機(jī)信號(hào)的強(qiáng)度從-120dBm~-20dBm之間，在低噪聲放大器設(shè)計(jì)中，力求上述性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，但通常較難實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這些要求往往相互牽制、影響甚至矛盾，因此在進(jìn)行低噪聲放大器設(shè)計(jì)時(shí)，如何采樣折中原則兼顧各項(xiàng)指標(biāo)是尤為重要的。

低噪聲放大器的指標(biāo)參數(shù)主要包括：噪聲系數(shù)、功率增益、增益平坦度、工作頻帶、動(dòng)態(tài)范圍、端口駐波比與反射損耗、穩(wěn)定性幾大類。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)經(jīng)過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使得信噪比變壞，信噪比下降的倍數(shù)就說噪聲系數(shù)。功率通常是指信號(hào)源和負(fù)載都是50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗情況下實(shí)測的增益，增益是指輸出增益與輸入增益的比，作為多級低噪聲放大器增益，一般在20~40dB之間，增益平坦度是指工作頻率內(nèi)功率增益的起伏，通常用最高增益與最小增益之差來表示。工作頻率不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶噪聲系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。動(dòng)態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號(hào)允許的最小功率和最大功率范圍。駐波比等于1時(shí)，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時(shí)高頻能量全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗;駐波比為無窮大時(shí)，表示全反射，能量完全沒有輻射出去。當(dāng)放大器的輸入端和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1時(shí)，不論源阻抗或載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，這時(shí)稱為絕對穩(wěn)定。當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，這時(shí)稱為條件穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器，其負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作。

實(shí)例目標(biāo)

低噪聲放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)為：

1、低噪聲放大器工作頻率為2.4GHz

2、噪聲系數(shù)：<3dB

3、功率增益：>10dB

4、穩(wěn)定系數(shù)：>1

5、反射系數(shù)S11<-10dB，S22<-10dB

實(shí)現(xiàn)過程

過程包括：直流仿真（用來選擇合適的晶體管）、S參數(shù)性能仿真（可以知道放大器的增益，輸入輸出阻抗以及噪聲系數(shù)等特性）、匹配電路設(shè)計(jì)（得到匹配電路）、其他參數(shù)仿真（穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比進(jìn)行仿真）、整體電路仿真（之前計(jì)算得到集電極電阻和集電極-基極電阻、并因此設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化，使穩(wěn)定系數(shù)、噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比、增益、S11、S22達(dá)到要求）。

一、直流仿真

1、新建工程原理圖，和之前一樣，進(jìn)行下載，解壓，導(dǎo)入即可 ，模型鏈接

NPN Wideband Silicon RF Transistor | NXP Semiconductors

2、完成原理圖，添加”DC_BJT_T”模板

3、仿真，在這次的實(shí)例中，選擇Vce=2.75V，功率管的電流為4mA，消耗的功率為12mW。

二、S參數(shù)特性仿真

1、新建一個(gè)原理圖“LNA_SP”，添加S參數(shù)仿真模板，完成原理圖繪制。

2、對S參數(shù)仿真控制器進(jìn)行設(shè)置

3、對其進(jìn)行仿真

4、對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，很容易導(dǎo)致阻抗不匹配，所以還需要對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5、噪聲系數(shù)在2.4GHz時(shí)為0.042db。

三、匹配電路的設(shè)計(jì)

1、新建原理圖“LNA_SP_match”

2、從“TLines-Microstrip”面板中選擇微帶參數(shù)設(shè)置控制器MSUB插入原理圖中，并對其進(jìn)行設(shè)置。

3、利用LineCalc工具計(jì)算阻抗，匹配為50Ω，相位延遲90度。

4、在面板中添加3個(gè)微帶元件“MLIN”和一個(gè)微帶線連接器“MTEE”，插入原理圖中，雙擊元器件分別進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置如下，按如下進(jìn)行連接。

5、采用同樣的方法建立輸出阻抗匹配原理圖，完成電路圖如下所示

6、對變量進(jìn)行設(shè)置

7、添加S參數(shù)仿真控件，并對其進(jìn)行設(shè)置

在“Calculate nosie”前面打勾，計(jì)算放大器的噪聲系數(shù)。

8、添加優(yōu)化控件和優(yōu)化目標(biāo)控件。

完成之后的電路圖如下圖所示：

9、優(yōu)化之后進(jìn)行仿真，得到S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)，可以發(fā)現(xiàn)S(1,1)、S(2,2)幾乎達(dá)到優(yōu)化條件，S(2,1)只有-0.384dB，這個(gè)管子估計(jì)不是用來做LNA的，但是可以知道這個(gè)流程之后在在使用的時(shí)候知道怎么做。

這樣就完成了晶體管SP模型的輸入、輸出阻抗匹配電路設(shè)計(jì)。在后續(xù)采用實(shí)際晶體管模型設(shè)計(jì)時(shí)，還需要對輸入、輸出匹配電路進(jìn)行調(diào)整，以滿足最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

四、晶體管SP模型其他參數(shù)仿真

完成輸入、輸出阻抗匹配電路設(shè)計(jì)后，就可以對晶體管SP模型的穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)、輸入、輸出駐波比進(jìn)行仿真。

1、新建原理圖，命名為“LNA_SP_match_sim”，并把“LNA_SP_match”里的原理圖復(fù)制進(jìn)去。

2、在S參數(shù)仿真面板“Simulation -S_Param”中選擇穩(wěn)定性仿真控制器“StabFct”插入原理圖中，再選擇兩個(gè)駐波比仿真控制器插入原理圖，并將第二個(gè)S11，改為S22，如下圖所示：

由于在S參數(shù)仿真控制器中已經(jīng)勾選了“Calculate noise”選項(xiàng)，對噪聲系數(shù)進(jìn)行仿真，所以不需要加入額外的仿真控制器，最終完成原理圖。

3、完成設(shè)置后，在原理圖工具欄中單擊[Simulate]按鈕開始仿真。可以看出穩(wěn)定系數(shù)隨頻率變化的曲線如下：

噪聲系數(shù)

駐波比，輸入駐波比

輸出駐波比

五、低噪聲放大器整體電路仿真

對晶體管SP模型進(jìn)行仿真后，就可以建立完整的低噪聲放大器仿真原理圖了。首先要通過已知的直流工作點(diǎn)來計(jì)算集電極電阻和集電極——基極電阻

1、新建一個(gè)”LNA_DC_bias”的原理圖，開始對原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并添加三極管。

2、[insert]->[template],添加”BJT_curve_tracer”模板，單機(jī)[OK]，完成電路圖

3、將直流電壓源SCR1中的Vdc改為之前確定的2.75V，并刪除參數(shù)掃描控制器Parameter sweep，為晶體管的基極加入節(jié)點(diǎn)名VBE。最后雙擊直流仿真控制器，選擇Sweep選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。

整體電路圖如下：

4、設(shè)置完成后，仿真仿真結(jié)果如下：

最后添加一個(gè)表格，顯示IBB、VBE和IC.i的電壓關(guān)系如下圖所示：

5、在Equation按鈕中插入兩個(gè)公式，計(jì)算Rb和Rc

接下來，列一個(gè)表將輸入輸出電阻計(jì)算出

可以看見，在IBB為50uA時(shí)，”Rb”和“Rc”分別為38720.857歐姆，和5.3歐姆。

完成集電極電阻和集電極-基極電阻計(jì)算后，就可以開始對低噪聲放大器的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)了。

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

1、新建一個(gè)原理圖命名為“LNA_final”,將“LNA_SP_match”中的電路進(jìn)行復(fù)制。

2、完成晶體管的連接，這些器件，在之前的總結(jié)中都有寫到，所以不做描述。

3、完成電路圖如下，并進(jìn)行優(yōu)化得到各參數(shù)的值：

4、對原理圖進(jìn)行仿真，在這里可以看出，與之前還是有很多區(qū)別的。這是因?yàn)榧姌O電阻和集電極-基極電阻導(dǎo)致輸出阻抗發(fā)生變化而重新進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果。

5、完成目標(biāo)后，還需要對低噪聲放大器的其他參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行仿真。在S參數(shù)仿真面板“Simulation-S_Param”中選擇穩(wěn)定性仿真控制器“StabFct”插入原理圖中，再選擇兩個(gè)駐波比插入，完成原理圖

6、進(jìn)行仿真，對噪聲系數(shù)、輸入、輸出駐波比進(jìn)行顯示。發(fā)現(xiàn)在2.4GHz時(shí)噪聲系數(shù)1.173dB，輸入、輸出駐波比1.212和1.935，結(jié)果比較理想。

這樣就完成了低噪聲放大器全部的仿真過程，需要注意的是，如果在優(yōu)化過程中未能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，需要進(jìn)行多次調(diào)整。

可能是因?yàn)橛辛饲懊?a href="http://www.xsypw.cn/tags/功率放大器/" target="_blank">功率放大器的基礎(chǔ)，這一章很順利，也出現(xiàn)了一些之前用的很少的步驟，但是也用到過，比如說顯示的時(shí)候的計(jì)算公式，顯示表格，這里稍微陌生點(diǎn)外其他的還好。