1、2007.1 www.ChinaECD.netElectronic Component &Device ApplicationsVol.9No.1Jan.2007第9卷第1期2007 年1月圖1微波低噪聲放大器網(wǎng)絡(luò)0引言無線接入射頻電路大多應(yīng)用在小型設(shè)備和便攜式電子產(chǎn)品中,用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無線連接和信息交換。低噪聲放大器(low-noise amplifier ,簡稱LNA是射頻接收機(jī)前端的主要組成部分。低噪聲微波晶體管放大器主要是在宇宙通訊、雷達(dá)、電子對(duì)抗、遙測(cè)遙控、射電天文、大地繪測(cè)、微波通信、電視以及各種高精度微波測(cè)量系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的放大。它主要有下面四個(gè)特點(diǎn)。首先,它位于接受機(jī)

2、的最前端,這就要求它的噪聲系數(shù)越小越好,同時(shí),為了抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響,還要求有一定的增益,但是為使后面的混頻器不過載,并產(chǎn)生非線性失真,它的增益又不能太大,因此要求低噪聲放大器在工作的頻段是穩(wěn)定的。其次,因?yàn)樗邮艿男盘?hào)是微弱的,所以低噪聲放大器必定是一個(gè)小信號(hào)線性放大器,又由于受傳輸路徑的影響,信號(hào)的強(qiáng)弱是變化的,在接受信號(hào)時(shí)有可能伴隨著許多強(qiáng)干擾進(jìn)入,因此要求放大器有足夠的線性范圍,而且增益是可調(diào)的。第三,低噪聲放大器一般是通過傳輸線直接和天線或天線濾波器相連,放大器必須與它們有良好的匹配,以達(dá)到功率最大傳輸和具有最小噪聲系數(shù),并且保證濾波器的性能。第四,應(yīng)具有選頻功能,可抑制帶

3、外和鏡象頻率干擾,因此它一定是頻帶放大器。綜上所述,晶體管微波放大器的基本要求是低噪聲系數(shù)、足夠的增益、工作穩(wěn)定可靠、足夠的帶寬和較大的動(dòng)態(tài)范圍等。本文給出了一種應(yīng)用Ansoft 公司的Designer 軟件包進(jìn)行LNA 輸入和輸出設(shè)計(jì)的方法。1LNA 的組成低噪聲放大器基本由放大器件(微波晶體管、輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成。匹配網(wǎng)絡(luò)由微線和分支調(diào)節(jié)器以及波長阻抗變換器組成。圖1為微波低噪聲放大器網(wǎng)絡(luò)的基本組成。其中,a 1、b 1和a 2、b 2是放大器輸入端和輸出端的歸一化入射波和反射波;Z S 是經(jīng)輸入匹配網(wǎng)低噪聲放大器(LNA的網(wǎng)絡(luò)匹配設(shè)計(jì)方法研究吳國增1,楊穎2(1.重慶郵電大學(xué)

4、,重慶400065;2.聊城東昌府區(qū)檢察院,山東聊城250014摘要:研究分析了低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法,介紹了低噪聲放大器的特點(diǎn),同時(shí)還介紹了低噪聲放大器的網(wǎng)絡(luò)組成和性能指標(biāo)。給出了應(yīng)用一種網(wǎng)絡(luò)匹配法設(shè)計(jì)的低噪聲放大器,并對(duì)電路進(jìn)行了S 參數(shù)和NF 的仿真,并采用Asoft 公司的Designer 軟件包通過模擬集成電路國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雙極晶體管模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。結(jié)果證明:這種應(yīng)用Smith Tool 工具設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)匹配電路具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn),可符合工業(yè)基本要求。關(guān)鍵詞:低噪聲放大器;Smith 圓;噪聲系數(shù);Designer收稿日期:2006-08-2764www.ChinaECD.net 2

5、007.1Vol.9No.1Jan.2007第9卷第1期2007年1月絡(luò)向信號(hào)源看去的阻抗;Z L 是經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)向負(fù)載看去的阻抗;Z 1是放大器輸出端接Z L 時(shí)的輸入阻抗;Z 2是放大器輸入接Z S 時(shí)輸出阻抗;放大器器件的S 矩陣為:S=S 11S 12S 21S 22!(1放大器的S 參量方程為:b 1b 2!=S 11S 12S 21S 22!a 1a 2!(2S 21表示增益,較大的增益有助于減小后級(jí)電路噪聲的影響,但會(huì)引起線性度惡化;S 11和S 22分別表示輸入輸出匹配,它們決定輸入輸出端射頻濾波器的頻響;S 12表示反向隔離的程度好壞。設(shè)放大器的兩端參考阻抗為Z 0,則Z

6、S 、Z L 、Z 1和Z 2可用參考阻抗Z 0的匹配程度相應(yīng)的反射系數(shù)S 、L 、1和2來表示。分別為:L =Z L -Z 0Z L +Z 0;S =Z S -Z 0Z S +Z 0;1=Z 1-Z 0Z 1+Z 0;2=Z 2-Z 0Z 2+Z 02LNA 性能指標(biāo)分析2.1噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是指放大器的輸入信噪比和輸出信噪比的比值根據(jù)噪聲級(jí)聯(lián)公式有:F n =F 1+F 1-1G 1+F 2-1G 1G 2+K (3式中,F n 為n 級(jí)放大器的噪聲系數(shù),G n 為第n 級(jí)放大器的增益。第一級(jí)放大器的噪聲性能對(duì)整個(gè)放大器的性能起決定性的作用,該放大器必須能在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。單級(jí)放大器

7、的噪聲系數(shù)計(jì)算公式為:F=F min +4R nS -out21-S2#$1-opt2(4式中,F m in 為晶體管的最小噪聲系數(shù),是由放大器管子本身決定的;opt 、S 和R n 分別為獲得最佳反射系數(shù)、晶體管輸入端源反射系數(shù)和晶體管的等噪聲電阻。由于放大器的噪聲系數(shù)與信號(hào)源的阻抗有關(guān),因而與負(fù)載無關(guān)。一個(gè)晶體管,當(dāng)它的源端所接信號(hào)源的阻抗等于它所求的最佳源阻抗時(shí),由該晶體管構(gòu)成的放大器的噪聲系數(shù)最小。又因?yàn)榈谝患?jí)噪聲系數(shù)具有決定性作用,所以第一級(jí)放大器必須實(shí)現(xiàn)最佳噪聲源阻抗設(shè)計(jì)。2.2增益放大器的增益首先與管子的跨導(dǎo)有關(guān),跨導(dǎo)直接由工作點(diǎn)的電流決定;其次,放大器的增益還與負(fù)載有關(guān)。低噪聲

8、放大器是頻帶放大器,它的選頻功能由負(fù)載決定。LNA 的負(fù)載一般有兩種形式,一是采用調(diào)諧的LC 回路作負(fù)載,并將下級(jí)混頻器的輸入電容并入回路電容,構(gòu)成頻帶放大,既可選頻也可提高增益;二是LNA 后面接集中選頻濾波器,則LNA 可以做成寬帶的,選頻功能由濾波器完成。這些濾波器為了便于使用,其輸入、輸出電阻都為50!或一些標(biāo)準(zhǔn)的特定數(shù)值。LNA 輸出端必須與濾波器相配,以保證濾波器的眾多特性,如插入損耗、帶內(nèi)波動(dòng)以及帶外衰減等。但是由于負(fù)載阻抗太小,增益不易太高,此時(shí)LNA 可以采用兩級(jí)放大。我們從接收機(jī)特點(diǎn)知道低噪聲放大器的增益最好是可控制的。在通信電路中,控制增益的方法一般是改變放大器的工作點(diǎn)、

9、改變放大器的負(fù)反饋量、改變放大器諧振回路的Q 值等,這些改變都可通過載波電平檢測(cè)電路產(chǎn)生自動(dòng)增益控制電壓來實(shí)現(xiàn)。2.3線性度采用差動(dòng)輸入方式,輸入信號(hào)線性范圍比單管大。輸出電流是兩個(gè)管子輸出電流之差,可以抵消放大器非線性失真偶次諧波,進(jìn)一步擴(kuò)大了放大器的線性范圍。線性范圍主要由三階互調(diào)截點(diǎn)P 3和1dB 壓縮點(diǎn)來度量。討論放大器的線性范圍要考慮三個(gè)問題:一是線性范圍和器件有 關(guān),場(chǎng)效應(yīng)管由于有平方律特性,因此它的線性比雙極好;二是和電路有關(guān);三是輸入端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也會(huì)影響到放大器的線性范圍。常見的幾種匹配方式如圖2所示。3具體方法和電路實(shí)現(xiàn)筆者應(yīng)用單雙極管作為放大器的核心器件來圖2LNA 幾

10、種匹配方式技術(shù)前沿652007.1 www.ChinaECD.net Electronic Component &Device ApplicationsVol.9No.1Jan.2007第9卷第1期2007年1月進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)匹配方式設(shè)計(jì)。本文中采用Asoft 公司的Designer 軟件包通過模擬集成電路國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雙極晶體管模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。通過Designer 軟件包Smith tool 雙極管對(duì)0.50.7GHz 穩(wěn)定圓進(jìn)行判斷的示意圖如圖3所示。通過圖3可知,輸入輸出是穩(wěn)定在0.50.7GHz 。此處取中心頻率為0.6GHz 。當(dāng)輸出和輸入不穩(wěn)定時(shí),要根據(jù)具體的情況來改變放大器的結(jié)構(gòu)。

11、應(yīng)用Designer 軟件包Smith tool 來設(shè)計(jì)電路的輸入輸出匹配的方法首先是運(yùn)行軟件,以打開相應(yīng)的設(shè)計(jì)環(huán)境。然后通過畫出等噪聲圓和等增益圓的方法使增益18.5dB 和噪聲4dB 相切,這樣,其次點(diǎn)就是輸入匹配點(diǎn)。圖4給出了用Smith tool 設(shè)計(jì)輸出輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的過程圖。4結(jié)束語雖然設(shè)計(jì)軟件種類多樣,但實(shí)質(zhì)上它們?cè)O(shè)計(jì)的基本思想和理論是一樣的。所以,要想較好地完成低噪聲放大器的設(shè)計(jì),必須對(duì)它的性能參數(shù)有深入的理解,再把實(shí)際的器件轉(zhuǎn)換成物理模型,然后和計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)模型聯(lián)系到一塊,即可以達(dá)到準(zhǔn)確無誤的匹配,從而順利完成設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1陳邦媛.射頻通信電路M.北京:科學(xué)出版社,2003:158-196.2向宏平,杜惠平.CDMA 射頻前端低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)和研究J.微電子學(xué),2004,34(4:432-434.3王勤.X 波段低噪聲放大器的設(shè)計(jì)J.低溫與超導(dǎo),2005,33(2: