高线性低噪声放大器设计
时间：03-17
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摘要:本文先容了一种L波段单级高线性低噪声放大器的工作原理和设计方法。与传统的接收机射频前端放大器主要考虑低噪声和高增益特性不同,文中选用了低本钱、低功耗的SiGe NPN BJT器件设计高三阶交截点的低噪声放大器。设计中利用了微波CAD工具对电路进行仿真与优化,同时对天生的微带印刷电路板进行了电磁仿真。
关键词:高三阶交截点;低噪声放大器;电磁仿真
引 言
随着无线通讯事业的不断发展,人们对无线系统的射频接收机提出了越来越高的要求,比如低功耗、低噪声、大动态范围、高灵敏度和高线性度等。因此,处于接收机最前真个放大器对于进步系统性能起到了关键作用。传统的研究主要集中在如何获得低噪声和高增益特性上,对接收前端放大器高线性度题目的研究经常被忽略。
Ansoft公司的Designer软件包是集电路和电磁仿真于一体的强大CAD工具。设计中,利用该软件对放大器的三阶互调和噪声等性能进行仿真和优化,同时对天生的PCB进行了电磁仿真,得到了令人满足的设计结果。这种低本钱、低功耗和高线性的LNA可广泛应用于PCS波段以及CDMA蜂窝移动手机中。
1 高线性低噪声放大器原理设计
1. 1 系统考虑与主要指标要求
在移动通讯系统设计中,低噪声放大器处于接收机的射频最前端,如图1所示。因此,系统的噪声性能和线性度主要取决于该前端放大器的噪声性能和线性特性。这里设计的放大器主要技术指标:工作频率范围f =1950 MHz;增益G >14dB;噪声系数Nf < 1.1dB;输出1dB;压缩点OP1dB>+ 5 dBm;输出三阶交截点OIP3 > + 24dBm输进输出回波损耗RL<10dB。
1. 2 器件选择与偏置电路设计
随着微电子工艺的不断进步,已能选择到噪声性能好、线性度高同时价格又便宜的双极晶体管,可以实现高线性低噪声放大器。
直流偏置决定了晶体管的静态工作点,因而也就决定了放大器的各种性能。但这些性能参数经常相互矛盾、彼此制约,因此,在考虑直流偏置点时,通常要在各种特定指标,如增益、线性度、噪声系数和功率消耗等之间作出折衷的选择。尽管大电流可以改善线性度和增益,但同时也带来噪声系数的增加。通过增加集- 射极电压可以改进电路的线性度,但是当接近击穿电压(BVCEO)时,噪声系数会由于电压击穿而开始恶化。设计所选器件的最小击穿电压为2.3V,因此,在综合考虑各种特定指标要求的情况下选择C-E极间偏置电压Vce=2.0V和集电极偏置电流Ic=8 mA。
电阻R3将电源电压由3V降低到2.1V, R2给晶体管的基极提供电压偏置, R1起到改善放大器稳定度的作用。图2所示偏置电路简单实用,并提供适当数目的负反馈用于补偿由于器件的离散性和整个宽温( -40℃～+85℃)工作范围内直流增益β的变化。其反馈原理是:假如温度变化或器件离散性使直流增益β产生变化而导致器件电流增加,则电阻R3压降会增加,这样基极电压VB会减少,从而器件电流减小,因此提供了直流负反馈,使器件的静态工作点稳定。
1. 3 稳定性的改善
S参数描述的线性二端口器件尽对稳定充分必要条件是: (a) K>1; ( b) | Δ | < 1。其中
利用Ansoft公司的Designer仿真软件包优化设计LNA的稳定因子K, 这将大大进步设计效率。最初的仿真结果显示稳定系数K<1,如图3所示。因此考虑在发射级串接电感以改进放大器的稳定性,但同时也引起噪声性能的恶化。在低频,当适量增加串接电感量时既可以改进放大器线性度又可以改善稳定性,但在高频(如5GHz～12GHz),随着发射极电感度量进一步增加,放大器稳定性会下降。仿真表明:通过输出电阻负载R1=10Ω以及与发射极并联的电感L3,改善了LNA的稳定因子K,使之大于1,特别是在800MHz～1200MHz频率范围。C5=10pF作为旁路电容,在低频时的影响比在2GHz时的小,因此在低频段,LNA输出端负载电阻R1=10Ω起到了改善稳定性的作用。
1. 4 输进输出匹配电路设计
由于器件的S12≠0,所以由L2、C2组成的输出匹配电路和串接在发射极的电感有利于改善输进回波损耗和噪声匹配,因而能够消除由器件输进真个射频元件带来的不利影响。输进匹配电路由10pF的隔直电容C1和在基极提供电流偏置的电感L1组成,因此避免了使用调谐元件对电路进行烦琐的优化设计,以达到对输进回波损耗和噪声系数的平衡。
1. 5 噪声系数的改善
所选器件在放大器正常工作频率范围内具有良好的噪声性能,可与价格昂贵的PHEMT和GaAsMESFET器件相媲美。在2GHz左右,最小噪声系数的偏置电流大约是5mA。然而,要得到+25dBm的OIP3,所需最小电流大约是8mA。考虑到偏置电流对噪声系数的影响,在设计中必须对噪声系数和三阶交截点进
关键词:高三阶交截点;低噪声放大器;电磁仿真
引 言
随着无线通讯事业的不断发展,人们对无线系统的射频接收机提出了越来越高的要求,比如低功耗、低噪声、大动态范围、高灵敏度和高线性度等。因此,处于接收机最前真个放大器对于进步系统性能起到了关键作用。传统的研究主要集中在如何获得低噪声和高增益特性上,对接收前端放大器高线性度题目的研究经常被忽略。
Ansoft公司的Designer软件包是集电路和电磁仿真于一体的强大CAD工具。设计中,利用该软件对放大器的三阶互调和噪声等性能进行仿真和优化,同时对天生的PCB进行了电磁仿真,得到了令人满足的设计结果。这种低本钱、低功耗和高线性的LNA可广泛应用于PCS波段以及CDMA蜂窝移动手机中。
1 高线性低噪声放大器原理设计
1. 1 系统考虑与主要指标要求
在移动通讯系统设计中,低噪声放大器处于接收机的射频最前端,如图1所示。因此,系统的噪声性能和线性度主要取决于该前端放大器的噪声性能和线性特性。这里设计的放大器主要技术指标:工作频率范围f =1950 MHz;增益G >14dB;噪声系数Nf < 1.1dB;输出1dB;压缩点OP1dB>+ 5 dBm;输出三阶交截点OIP3 > + 24dBm输进输出回波损耗RL<10dB。
1. 2 器件选择与偏置电路设计
随着微电子工艺的不断进步,已能选择到噪声性能好、线性度高同时价格又便宜的双极晶体管,可以实现高线性低噪声放大器。
直流偏置决定了晶体管的静态工作点,因而也就决定了放大器的各种性能。但这些性能参数经常相互矛盾、彼此制约,因此,在考虑直流偏置点时,通常要在各种特定指标,如增益、线性度、噪声系数和功率消耗等之间作出折衷的选择。尽管大电流可以改善线性度和增益,但同时也带来噪声系数的增加。通过增加集- 射极电压可以改进电路的线性度,但是当接近击穿电压(BVCEO)时,噪声系数会由于电压击穿而开始恶化。设计所选器件的最小击穿电压为2.3V,因此,在综合考虑各种特定指标要求的情况下选择C-E极间偏置电压Vce=2.0V和集电极偏置电流Ic=8 mA。
电阻R3将电源电压由3V降低到2.1V, R2给晶体管的基极提供电压偏置, R1起到改善放大器稳定度的作用。图2所示偏置电路简单实用,并提供适当数目的负反馈用于补偿由于器件的离散性和整个宽温( -40℃～+85℃)工作范围内直流增益β的变化。其反馈原理是:假如温度变化或器件离散性使直流增益β产生变化而导致器件电流增加,则电阻R3压降会增加,这样基极电压VB会减少,从而器件电流减小,因此提供了直流负反馈,使器件的静态工作点稳定。
1. 3 稳定性的改善
S参数描述的线性二端口器件尽对稳定充分必要条件是: (a) K>1; ( b) | Δ | < 1。其中
利用Ansoft公司的Designer仿真软件包优化设计LNA的稳定因子K, 这将大大进步设计效率。最初的仿真结果显示稳定系数K<1,如图3所示。因此考虑在发射级串接电感以改进放大器的稳定性,但同时也引起噪声性能的恶化。在低频,当适量增加串接电感量时既可以改进放大器线性度又可以改善稳定性,但在高频(如5GHz～12GHz),随着发射极电感度量进一步增加,放大器稳定性会下降。仿真表明:通过输出电阻负载R1=10Ω以及与发射极并联的电感L3,改善了LNA的稳定因子K,使之大于1,特别是在800MHz～1200MHz频率范围。C5=10pF作为旁路电容,在低频时的影响比在2GHz时的小,因此在低频段,LNA输出端负载电阻R1=10Ω起到了改善稳定性的作用。
1. 4 输进输出匹配电路设计
由于器件的S12≠0,所以由L2、C2组成的输出匹配电路和串接在发射极的电感有利于改善输进回波损耗和噪声匹配,因而能够消除由器件输进真个射频元件带来的不利影响。输进匹配电路由10pF的隔直电容C1和在基极提供电流偏置的电感L1组成,因此避免了使用调谐元件对电路进行烦琐的优化设计,以达到对输进回波损耗和噪声系数的平衡。
1. 5 噪声系数的改善
所选器件在放大器正常工作频率范围内具有良好的噪声性能,可与价格昂贵的PHEMT和GaAsMESFET器件相媲美。在2GHz左右,最小噪声系数的偏置电流大约是5mA。然而,要得到+25dBm的OIP3,所需最小电流大约是8mA。考虑到偏置电流对噪声系数的影响,在设计中必须对噪声系数和三阶交截点进