基本的理論知識

作為接收機的第一級，必須提供足夠的增益來克服后續各級電路（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，一個低噪聲放大器還應能接收一定的大信號而不失真，并且還對輸入信號源表現出一個特定的阻抗，通常是50Ω或75Ω。這最后一個考慮在低噪聲放大器的前級是一個無源濾波器時特別重要，因為許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、噪聲系數以及功耗，滿足系統要求，對低噪聲放大器設計一般有以下要求：1、提供足夠的增益以減小低噪聲放大器后續電路對系統噪聲影響，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可能會超過混頻器的線性范圍；2、產生盡可能小的噪聲和信號失真；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；4、保證信號的線性度；5、接收機信號的強度從-120dBm~-20dBm之間，在低噪聲放大器設計中，力求上述性能指標達到最優，但通常較難實現。在實際設計中，這些要求往往相互牽制、影響甚至矛盾，因此在進行低噪聲放大器設計時，如何采樣折中原則兼顧各項指標是尤為重要的。

低噪聲放大器的指標參數主要包括：噪聲系數、功率增益、增益平坦度、工作頻帶、動態范圍、端口駐波比與反射損耗、穩定性幾大類。噪聲系數的物理含義是：信號經過放大器之后，由于放大器產生噪聲，使得信噪比變壞，信噪比下降的倍數就說噪聲系數。功率通常是指信號源和負載都是50Ω標準阻抗情況下實測的增益，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滿足設計要求。動態范圍是指低噪聲放大器輸入信號允許的最小功率和最大功率范圍。駐波比等于1時，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時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，表示全反射，能量完全沒有輻射出去。當放大器的輸入端和輸出端的反射系數的模都小于1時，不論源阻抗或載阻抗如何，網絡都是穩定的，這時稱為絕對穩定。當輸入端或輸出端的反射系數的模大于1時，網絡是不穩定的，這時稱為條件穩定。對條件穩定的放大器，其負載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩定工作。

實例目標

低噪聲放大器設計指標為：

1、低噪聲放大器工作頻率為2.4GHz

2、噪聲系數：<3dB

3、功率增益：>10dB

4、穩定系數：>1

5、反射系數S11<-10dB，S22<-10dB

實現過程

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

一、直流仿真

1、新建工程原理圖，和之前一樣，進行下載，解壓，導入即可 ，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參數特性仿真

1、新建一個原理圖“LNA_SP”，添加S參數仿真模板，完成原理圖繪制。

2、對S參數仿真控制器進行設置

3、對其進行仿真

4、對數據進行標注，很容易導致阻抗不匹配，所以還需要對電路進行優化設計。

5、噪聲系數在2.4GHz時為0.042db。

三、匹配電路的設計

1、新建原理圖“LNA_SP_match”

2、從“TLines-Microstrip”面板中選擇微帶參數設置控制器MSUB插入原理圖中，并對其進行設置。

3、利用LineCalc工具計算阻抗，匹配為50Ω，相位延遲90度。

4、在面板中添加3個微帶元件“MLIN”和一個微帶線連接器“MTEE”，插入原理圖中，雙擊元器件分別進行設置。設置如下，按如下進行連接。

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、對變量進行設置

7、添加S參數仿真控件，并對其進行設置

在“Calculate nosie”前面打勾，計算放大器的噪聲系數。

8、添加優化控件和優化目標控件。

完成之后的電路圖如下圖所示：

9、優化之后進行仿真，得到S(1,1)、S(2,2)、S(2,1)，可以發現S(1,1)、S(2,2)幾乎達到優化條件，S(2,1)只有-0.384dB，這個管子估計不是用來做LNA的，但是可以知道這個流程之后在在使用的時候知道怎么做。

這樣就完成了晶體管SP模型的輸入、輸出阻抗匹配電路設計。在后續采用實際晶體管模型設計時，還需要對輸入、輸出匹配電路進行調整，以滿足最終的設計目標。

四、晶體管SP模型其他參數仿真

完成輸入、輸出阻抗匹配電路設計后，就可以對晶體管SP模型的穩定性、噪聲系數、輸入、輸出駐波比進行仿真。

1、新建原理圖，命名為“LNA_SP_match_sim”，并把“LNA_SP_match”里的原理圖復制進去。

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

由于在S參數仿真控制器中已經勾選了“Calculate noise”選項，對噪聲系數進行仿真，所以不需要加入額外的仿真控制器，最終完成原理圖。

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

噪聲系數

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來計算集電極電阻和集電極——基極電阻

1、新建一個”LNA_DC_bias”的原理圖，開始對原理圖進行設計，并添加三極管。

2、[insert]->[template],添加”BJT_curve_tracer”模板，單機[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，并刪除參數掃描控制器Parameter sweep，為晶體管的基極加入節點名VBE。最后雙擊直流仿真控制器，選擇Sweep選項進行設置。

整體電路圖如下：

4、設置完成后，仿真仿真結果如下：

最后添加一個表格，顯示IBB、VBE和IC.i的電壓關系如下圖所示：

5、在Equation按鈕中插入兩個公式，計算Rb和Rc

接下來，列一個表將輸入輸出電阻計算出

可以看見，在IBB為50uA時，”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-基極電阻計算后，就可以開始對低噪聲放大器的電路進行設計了。

低噪聲放大器的設計

1、新建一個原理圖命名為“LNA_final”,將“LNA_SP_match”中的電路進行復制。

2、完成晶體管的連接，這些器件，在之前的總結中都有寫到，所以不做描述。

3、完成電路圖如下，并進行優化得到各參數的值：

4、對原理圖進行仿真，在這里可以看出，與之前還是有很多區別的。這是因為集電極電阻和集電極-基極電阻導致輸出阻抗發生變化而重新進行優化的結果。

5、完成目標后，還需要對低噪聲放大器的其他參數指標進行仿真。在S參數仿真面板“Simulation-S_Param”中選擇穩定性仿真控制器“StabFct”插入原理圖中，再選擇兩個駐波比插入，完成原理圖

6、進行仿真，對噪聲系數、輸入、輸出駐波比進行顯示。發現在2.4GHz時噪聲系數1.173dB，輸入、輸出駐波比1.212和1.935，結果比較理想。

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，如果在優化過程中未能達到預期目標，需要進行多次調整。

可能是因為有了前面功率放大器的基礎，這一章很順利，也出現了一些之前用的很少的步驟，但是也用到過，比如說顯示的時候的計算公式，顯示表格，這里稍微陌生點外其他的還好。