【導(dǎo)讀】本文介紹了一種L波段單級(jí)高線(xiàn)性低噪聲放大器的工作原理和設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)的接收機(jī)射頻前端放大器主要考慮低噪聲和高增益特性不同，文中選用了低成本、低功耗的SiGe NPN BJT器件設(shè)計(jì)高三階交截點(diǎn)的低噪聲放大器。設(shè)計(jì)中利用了微波CAD工具對(duì)電路進(jìn)行仿真與優(yōu)化，同時(shí)對(duì)生成的微帶印刷電路板進(jìn)行了電磁仿真。
本文介紹了一種L波段單級(jí)高線(xiàn)性低噪聲放大器的工作原理和設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)的接收機(jī)射頻前端放大器主要考慮低噪聲和高增益特性不同，文中選用了低成本、低功耗的SiGe NPN BJT器件設(shè)計(jì)高三階交截點(diǎn)的低噪聲放大器。設(shè)計(jì)中利用了微波CAD工具對(duì)電路進(jìn)行仿真與優(yōu)化，同時(shí)對(duì)生成的微帶印刷電路板進(jìn)行了電磁仿真。
隨著無(wú)線(xiàn)通信事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的射頻接收機(jī)提出了越來(lái)越高的要求，比如低功耗、低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度和高線(xiàn)性度等。因此，處于接收機(jī)最前端的放大器對(duì)于提高系統(tǒng)性能起到了關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的研究主要集中在如何獲得低噪聲和高增益特性上，對(duì)接收前端放大器高線(xiàn)性度問(wèn)題的研究常常被忽略。
Ansoft公司的Designer軟件包是集電路和電磁仿真于一體的強(qiáng)大CAD工具。設(shè)計(jì)中，利用該軟件對(duì)放大器的三階互調(diào)和噪聲等性能進(jìn)行仿真和優(yōu)化，同時(shí)對(duì)生成的PCB進(jìn)行了電磁仿真，得到了令人滿(mǎn)意的設(shè)計(jì)結(jié)果。這種低成本、低功耗和高線(xiàn)性的LNA可廣泛應(yīng)用于PCS波段以及CDMA蜂窩移動(dòng)手機(jī)中。
1 高線(xiàn)性低噪聲放大器原理設(shè)計(jì)
1. 1 系統(tǒng)考慮與主要指標(biāo)要求
在移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，低噪聲放大器處于接收機(jī)的射頻最前端，如圖1所示。因此，系統(tǒng)的噪聲性能和線(xiàn)性度主要取決于該前端放大器的噪聲性能和線(xiàn)性特性。這里設(shè)計(jì)的放大器主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率范圍f =1950 MHz;增益G 》14dB;噪聲系數(shù)Nf 1dB》+ 5 dBm;輸出三階交截點(diǎn)OIP3 》 + 24dBm輸入輸出回波損耗RLCEO）時(shí)，噪聲系數(shù)會(huì)由于電壓擊穿而開(kāi)始惡化。設(shè)計(jì)所選器件的最小擊穿電壓為2.3V，因此，在綜合考慮各種特定指標(biāo)要求的情況下選擇C-E極間偏置電壓Vce=2.0V和集電極偏置電流Ic=8 mA。
電阻R3將電源電壓由3V降低到2.1V， R2給晶體管的基極提供電壓偏置， R1起到改善放大器穩(wěn)定度的作用。圖2所示偏置電路簡(jiǎn)單實(shí)用，并提供適當(dāng)數(shù)量的負(fù)反饋用于補(bǔ)償由于器件的離散性和整個(gè)寬溫（ -40℃～+85℃）工作范圍內(nèi)直流增益β的變化。其反饋原理是：假如溫度變化或器件離散性使直流增益β產(chǎn)生變化而導(dǎo)致器件電流增加，則電阻R3壓降會(huì)增加，這樣基極電壓VB會(huì)減少，從而器件電流減小，因此提供了直流負(fù)反饋，使器件的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。
1. 3 穩(wěn)定性的改善
S參數(shù)描述的線(xiàn)性二端口器件絕對(duì)穩(wěn)定充分必要條件是： （a） K》1; （ b） | Δ | 1=10Ω以及與發(fā)射極并聯(lián)的電感L3，改善了LNA的穩(wěn)定因子K，使之大于1，特別是在800MHz～1200MHz頻率范圍。C5=10pF作為旁路電容，在低頻時(shí)的影響比在2GHz時(shí)的小，因此在低頻段，LNA輸出端負(fù)載電阻R1=10Ω起到了改善穩(wěn)定性的作用。
1. 4 輸入輸出匹配電路設(shè)計(jì)
由于器件的S12≠0，所以由L2、C2組成的輸出匹配電路和串接在發(fā)射極的電感有利于改善輸入回波損耗和噪聲匹配，因而能夠消除由器件輸入端的射頻元件帶來(lái)的不利影響。輸入匹配電路由10pF的隔直電容C1和在基極提供電流偏置的電感L1組成，因此避免了使用調(diào)諧元件對(duì)電路進(jìn)行煩瑣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到對(duì)輸入回波損耗和噪聲系數(shù)的平衡。
1. 5 噪聲系數(shù)的改善
所選器件在放大器正常工作頻率范圍內(nèi)具有良好的噪聲性能，可與價(jià)格昂貴的PHEMT和GaAsMESFET器件相媲美。在2GHz左右，最小噪聲系數(shù)的偏置電流大約是5mA。然而，要得到+25dBm的OIP3，所需最小電流大約是8mA。考慮到偏置電流對(duì)噪聲系數(shù)的影響，在設(shè)計(jì)中必須對(duì)噪聲系數(shù)和三階交截點(diǎn)進(jìn)行折衷考慮。另外，在發(fā)射極串接電感L3改善了放大器的線(xiàn)性度但同時(shí)也帶來(lái)噪聲性能的惡化，其惡化程度如圖5所示。因此，設(shè)計(jì)中也要對(duì)串接電感L3進(jìn)行優(yōu)化，以平衡放大器的三階交截點(diǎn)和噪聲系數(shù)。
1. 6 高三階交截點(diǎn)的設(shè)計(jì)
兩種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)OIP3 》 +25dBm的設(shè)計(jì)要求，即在發(fā)射極串接電感以及增加在B-E結(jié)的電荷儲(chǔ)量。
（1）發(fā)射極串接電感
在發(fā)射極串接電感，可以改善放大器的穩(wěn)定度和線(xiàn)性度，但同時(shí)也影響器件的輸入輸出匹配和噪聲匹配。考慮到實(shí)際射頻放大器電路尺寸很小，外接電抗元件難于實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)中采用二節(jié)并聯(lián)的微帶線(xiàn)接地（如圖6所示）作為反饋元件以等效電路所需的電感量，從而改善了放大器的三階交截點(diǎn)，當(dāng)然這樣也會(huì)減小放大器的增益以及引起噪聲性能在一定程度上的惡化。優(yōu)化設(shè)計(jì)表明：為了使放大器的OIP3提高約4.5dBm，增益卻減小了約3.5dB．
（2）增加B-E結(jié)電荷儲(chǔ)存
在雙音測(cè)試中，輸入兩個(gè)等幅、頻率分別為f1和f2的正弦信號(hào)，差頻1MHz。因此，器件非線(xiàn)性二階互調(diào)產(chǎn)物f2 - f1以1MHz的速率調(diào)制B-E結(jié)和C-E結(jié)的電壓。而發(fā)射極電流是B-E結(jié)電壓的指數(shù)函數(shù)，即Ie≈Iese（qVBE/KT），所以低頻互調(diào)產(chǎn)物f2-f1出現(xiàn)在器件的終端將會(huì)以f2 - f1的速率改變晶體管的工作點(diǎn)，這樣反過(guò)來(lái)也影響了失真產(chǎn)物的電平。所以，如果在B-E結(jié)間增加一個(gè)相對(duì)大的電容，則可以旁路掉這個(gè)低頻產(chǎn)物f2-f1， 那么B-E結(jié)的電壓波動(dòng)將會(huì)減少，因而減少了三階互調(diào)產(chǎn)物。在圖2中， C3=0.1μF起到了旁路低頻互調(diào)產(chǎn)物f2-f1的作用。同理， C6= 0.1μF也是用于旁路低頻互調(diào)產(chǎn)物f2-f1的，但效果不如在基極改善明顯。
設(shè)計(jì)中采用集總電感進(jìn)行基極偏置并把直流偏置網(wǎng)絡(luò)與射頻信號(hào)分開(kāi)，而不用高阻抗微帶線(xiàn)實(shí)現(xiàn)，這樣在低頻端晶體管B-E結(jié)電荷儲(chǔ)存與終端之間獲得低阻抗，使偏置回路與射頻回路取得更好的分隔效果。電感L1=15nH在幾十兆赫茲頻段產(chǎn)生的阻抗可忽略，但在1950 MHz卻能獲得足夠大阻抗，使LNA在正常工作頻率范圍內(nèi)把晶體管基極與偏置網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)。
2 印刷電路板的電磁仿真
通過(guò)上一節(jié)對(duì)放大器的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，將最終得到的電路制作在FR4（εr=4.5， h=0.8 mm）基片上。
考慮到實(shí)際制作的PCB可能與原理設(shè)計(jì)的情況不完全一致，因此為了進(jìn)一步了解電路性能，也為了更好地調(diào)試實(shí)際電路，有必要對(duì)放大器PCB進(jìn)行電磁仿真。Designer工具中的電磁仿真模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路PCB的電磁仿真。首先，在AutoCAD繪圖工具中創(chuàng)建LNA的Layout印刷電路布線(xiàn)圖。考慮到DC偏置網(wǎng)絡(luò)和射頻扼流電感已將偏置電路與射頻信號(hào)較好地分隔開(kāi)，實(shí)際操作時(shí)將針對(duì)放大器的AC等效電路進(jìn)行電磁建模，如圖10所示;其次，是定義介質(zhì)基片材料的各種特性參數(shù)（必須與電路仿真原理圖中定義的基片材料一致） ;接著是從AutoCAD繪圖工具中導(dǎo)入放大器的PCB電磁仿真模型;然后定義輸入輸出端口激勵(lì)和器件的S參數(shù)模型;在這些工作完成之后，就可以對(duì)上述模型進(jìn)行仿真設(shè)置并運(yùn)行仿真;最后是對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和處理。
3 結(jié) 語(yǔ)
選用性能優(yōu)良的SiGe NPN BJT器件，利用仿真工具設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗和高線(xiàn)性的單級(jí)LNA。測(cè)試結(jié)果：放大器輸出三階交調(diào)點(diǎn)+ 25 dBm、噪聲系數(shù)1.0dB、輸出1dB壓縮點(diǎn)+ 5.5dBm和增益14.5dB以及輸入輸出回波損耗均優(yōu)于10 dB。因此，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
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