微波低噪声放大器设计技术

中国电子学会电路与系统学会第十九届年会论文集 微波低噪声放大器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 技术 谢万波 杨维明 陈建新 (北京工业大学电子信息与拉411工程学院 北京 100022) 摘 要:本文探讨分析了低噪声放大器设计中的一些理论方法和实际经验技巧，并用讨论的方法设计了一款 低噪声放大器，仿真结果表明，这些方法是正确和有效的。 关键词:低噪声放大器 驻波比 噪声系数 一、引言 射频低噪声放大器 ((LNA)广泛应用于移动通信、雷达、电子对抗及遥控遥测系统接收 机的前端，是天线卜来的第一级信号处理器件，土要功能是对接收到的微弱信号进行放大， 尽量减少噪声的增加，从而保证系统在极低的功率电平下的噪声恶化量最小。其性能的好坏 直接影响整个接收系统的性能，因此，低噪声放大器的设计是通信接收机设计的关键。 随着无线电传播环境的恶化和现代通信对接收机诸如灵敏度等性能要求的提高，低噪声 放大器的设计越来越变成更具挑战性的射频电路设计工作之一。本文结合Aglient的仿真软件 ADS，分析讨论了低噪声放大器设计的一些理论方法和经验技巧，并用一款infenion的SiGe BFP640设计了一个卫星定位系统 (GPS)用低噪声放大器。 二、 小输入驻波比和小噪声系数的同时满足 由于低噪声放大器处理的是微弱信号，一般要求它既有低噪声又有小的输入驻波比。但是 放大器共辘匹配时的源反射系数Fm和最佳噪声匹配的源反射系数r，往往是不相等的，很多时 候还相差较远，这使我们经常不得 不在两者之间进行折衷。 图一是典型的晶体管二端口网 络示意图，一般的设计思路是在保证 放大器稳定性的基础上几在F，和 图一: 晶体管二端口网络示意图 r..之间取一折衷值，然后几取ro.:的共.e.即输入失配法，这种方法过于简单，很多情况下的 输入驻波比和噪声系数不能同时兼顾，往往要用较大的输入驻波比换取满意的噪声性能，这 对于输入信号极其微弱的低噪声放大器是不能接受的。 射极(源极)反馈的方法[[l]可以较好地解决这个问题，它是在r.,相对固定的情况下，通 过改变晶体管的输入阻抗Z,.从而改变r，使r和际接近甚至重合，从而同时得到较小的驻 波比和较小的噪声系数。下面以双极型晶体管(BJT)为例说明其原理。图二为BJT晶体管射 极串联电感Lr后的等效电路图。 由图二可得。输入阻抗为: VI一 463 中国电子学会电路与系统学会第十九届年会论文集 Gm V,. 图二:射极申联电感的晶体管等效示愈图 Z;?=VaIa一‘IbRb +Vae +IwIeLe/Ia 式中:。。一la II.c;。一、+G.V, 把吃和I"带入Z,n的表达式: la jr)(几+ jwLe(I. +G.V,)Jx资? ?????? 一{一1 +jct)L,jam'.·G，C.资一(一L,) + AWL}Cl. 一1 )ac. 可见比起原来的Z1.一R,一j会，射极加一电S RL,后，输入阻抗的“部和“部均” 加了一个和L。有关的项，通过调赘L‘的值改变Z,}，可以使共扼匹配时对应的几二。和:，对应 的输入阻抗接近甚至重合。用ADS仿真软件可以直观的从输入平面上看到，射极加适量感性 后等噪声圆和等增益圆的圆心向一起靠近了，说明此时可以同时得到更小的输入驻波比和噪 声系数 但是，射极的感性反馈同时会带来增益降低和高频的稳定性变差的问题，这限制了反馈 量的增加。如果输入驻波比和噪声系数不能改善到令人满意的程度，我们可以通过制造一定 的输出失配来进一步解决·由等式:r。二Si l 可见，输入反射系数和输出反射系 数有直接的对应关系，理论上总可以找到一个合适的P:值，使r}等于r，的共We.这样最小噪 声和共辘匹配同时得到满足。但这样的运算可能得到Fin>1，这时候单改变r:已经不能达到 目标:射极感性反馈实际上是通过改变二端口网络的S参数来改变r.，所以，两者结合起来 就可以得到合适的r使其满足要求。当然，改变r:要考虑输出驻波比的问题，输出驻波比过 大会影响输出功率和增益，设计时要综合考虑口 三、 稳定性改善和增益的考虑 理论上讲[[21，放大器中的器件可以在工作频段上是潜在不稳定的，只要匹配点选择合适， VI一 464 中国电子学会电路与系统学会第 于九届年会论文集 然而，实际的射频电路中，由于温度、器件老化、各射频单元间干扰等问题的存在，不可避 免的会引起偏置点、匹配点偏离理论设计值的情况，为了保证整个系统的稳定，不发生自激 振荡，设计时要保证器件在工作范围内全频段稳定。而改善稳定性会带来诸如增益降低、噪 声性能恶化等问题，特别是增益降低的问题在这里尤为突出。由噪声级联公式可知，接收机 前端的增益必须足够高以克服后级噪声的影响，而另一方面过高的增益会增加后级电路线性 度的负担还会引起系统的不稳定，所以必须折衷考虑这个问题。 常见的改善稳定性的方法[31是分别在输入或输出端串联或者并联电阻，另外射极感性反 馈也有改善稳定性的作用。对于低噪声放大器的设计，噪声是主要的考虑因素，显然输入端 引入额外电阻来改善稳定性的方法，会恶化噪声性能，所以一般不用。输出端加电阻的方法 依然会恶化一点噪声性能和降低增益。而射极感性反馈对改善低频段的稳定性效果明显且理 论上不会引入额外的噪声，但实际电路中的电感是有损耗的元件，选择不慎会严重恶化噪声; 另一方面，射极很小的感性反馈就会带来增益的较大的下降，并且过高的感性反馈会引起高 频段的不稳定。所以要慎重选择电感量并且尽量用Q值高的电感。 输出端串联或者并联电阻的方法对全频段的稳定性都有改善，但改善的效果还是略有不 同，并联电阻对高频端的稳定性改善更明显而串联电阻的方法对低频端的改善效果更好。在 实际的设计应用中，由于大部分器件的低频增益总是远高于高频增益，所以低频端不稳定的 情况更常见，并联电阻的方法采用较多。由于电阻是并联在电路中的，阻值较小时支路分流 作用更大，稳定因子K改善更多:但一般的电路中只要保证K值略大于一就可以，K因子较 大的改善会带来增益较多的h降，而较小的支路分流作用需要较大阻值的，从噪声考虑这样 是不合适的。采用图三电阻串联一合适的电感并联支路的方法可以解决这个问题。由图可见， 串联电感L后，稳定因子整个频段内 都有所下降并趋与平缓，选择合适的 R和L值可能会使K因子在较大的频 率范围内都保持略大于一的理想情况。 另一方面整个频段内的增益相应的都 有所提升，低频端提升较少而高频端 提升较多，这使得增益变得平坦，这 对于宽带放大器是很有意义的。原因 是电感随频率的提高感抗增加，这使 得支路对于射频信号的分流作用随频 率的升高而减小，分流作用越大增益 - 电阻串连电感 — 只用电阻 稳定因子K 一: 图三: 改善稳定性电路及效果 降低就越多;而一般的晶体管均是随着频率的提高增益下降，两者互补使增益趋于平坦。同 理，感抗的变化引起的支路对稳定性改善作用的不同，所以出现图示的结果。 在放大器的设计中，如果器件在工作频率点绝对稳定，而在高频端或者低频端潜在不稳 定，可以把上面的电感用一根1/4波长的微带线代替构成并联支路来改善器件的稳定性，在工 作频率点由于 1/4波长的阻抗变换作用使电阻相当于开路，这样并联支路不对器件有任何影 响，器件在该频率点的增益就不会下降。而在工作频率点的左右两侧，由于频率的改变微带 的电长度将不再是1/4波长，电阻R被并联入器件的输出端口，器件的稳定性得到改善。 下面我们根据以上讨论的方法结合ADS软件设计一个低噪声放大器，并综合讨论直流偏 置、匹配网络等的选择对电路的影响和设计考虑。 vi 一 465 中国电子学会电路与系统学会第十九届年会论文集 四、 GPS用低噪声放大器的设计 我们将要设计的LNA应用于卫星定位系统 〔GPS)的接收机前端，由于它接收的信号极 其微弱，既需要高增益，又需要低的噪声系数和小的输入驻波比。其性能指标为: 工作频率:1.575 GHz 噪声系数 NF< 1.0 dB 增益:G>18 dB 输入输出驻波比:VSWR