微波寬帶低噪聲放大器的設(shè)計

微波寬帶低噪聲放大器的設(shè)計

1國內(nèi)對lna在產(chǎn)權(quán)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀低噪聲檢測器（lna）用于通信、雷達(dá)、電子對抗、測量和模擬、透射天文學(xué)、地球測量、微波通信、電視和各種高精度微波測量系統(tǒng)。LNA在接收機(jī)系統(tǒng)中位于前端,主要作用是接收微弱的信號,而且要降低噪聲干擾。因此,LNA的設(shè)計對整個接收機(jī)的性能至關(guān)重要,他直接影響整機(jī)性能,尤其是接收機(jī)靈敏度。國內(nèi)對LNA的研究與制造相對比較落后,尤其是高端產(chǎn)品,尚未掌握規(guī)模生產(chǎn)技術(shù),完全依賴進(jìn)口來滿足國內(nèi)市場的需求。傳統(tǒng)的單級LNA在一定的功耗下,對于帶寬和噪聲這兩個指標(biāo)往往難以兼顧。2sigehbt器件的優(yōu)勢SiGeHBT與SiBJT相比,最大的不同點在于結(jié)兩端的材料不同,因此禁帶寬度不同。對于在Si襯底上生長的應(yīng)變SiGe合金,兩者之間的禁帶寬度變化主要表現(xiàn)為價帶的不連續(xù)。在EB結(jié)正偏的情況下,發(fā)射區(qū)電子注入到基區(qū)需要越過的勢壘與BJT相比基本不變,因而比基區(qū)空穴注入到發(fā)射區(qū)需要越過的勢壘低,這就使發(fā)射結(jié)的發(fā)射效率得到極大的提高,為設(shè)計器件結(jié)構(gòu)提供了更大的自由度。在保證電流增益的條件下,可以大幅度地提高基區(qū)摻雜濃度并減少基區(qū)厚度,解決了特征頻率與基區(qū)電阻之間的矛盾,即可以在提高特征頻率的同時減小基區(qū)電阻,從而減小器件的熱噪聲。器件的最高震蕩頻率也可以得到提高。因此SiGeHBT與SiBJT相比具有頻率高、速度快、噪聲低和電流增益大等明顯的優(yōu)勢。從材料選取的角度上來看,雖然GaAs器件具有頻率高、速度快的特點,適合于微波頻段下的應(yīng)用,但是其制造成本高、熱導(dǎo)率差、機(jī)械強(qiáng)度低,因而不適合大規(guī)模集成。SiGe器件則不僅具有比Si器件頻率高、速度快、噪聲低和電流增益高的優(yōu)點,而且在工藝上與Si器件相容,因而具有Si器件的低成本。所有這些表明SiGe器件將具有廣闊的前景。3設(shè)計微波寬帶噪聲源的理論3.1定性的前提條件穩(wěn)定性是微波寬帶LNA設(shè)計所必須考慮的,其主要表現(xiàn)為對放大器震蕩的抑制性,電路必須滿足絕對穩(wěn)定情況。微波晶體管穩(wěn)定性的必要條件是:K=1?|S11|2?|S22|2+|Δ|22|S12S21|>1(1)B=1+|S11|2?|S22|2?|Δ|2>0(2)Δ=S11S22?S12S21(3)Κ=1-|S11|2-|S22|2+|Δ|22|S12S21|>1(1)B=1+|S11|2-|S22|2-|Δ|2>0(2)Δ=S11S22-S12S21(3)3.2多級放大電路中噪聲的影響放大器的噪聲和信號源的阻抗有關(guān),輸入匹配電路應(yīng)該按照噪聲最佳原則設(shè)計。但是在輸入匹配電路做最佳噪聲匹配時,放大器輸入阻抗不一定恰好與信號源阻抗匹配,因此增益和噪聲一般不能同時達(dá)到最佳,需要進(jìn)行折中考慮。在多級放大電路中,由噪聲系數(shù)公式:F=F1+F2?1G1+F3?1G1G2+?(4)F=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+?(4)可以看出,決定電路噪聲的主要是第1級放大電路,其他級的噪聲影響依次減小。因此對多級電路的噪聲優(yōu)化主要在于第1級。3.3抗增長電路。在做在多級LNA的設(shè)計中,前級電路更注重噪聲,后級電路更注重增益。這樣可以盡可能地滿足低噪聲下的高增益。對于帶寬的要求,一般采用負(fù)反饋技術(shù),在犧牲一部分噪聲和增益的情況下增大帶寬。4多級lna噪聲特性采用NEC硅鍺晶體管2SC5761建立電路結(jié)構(gòu)。電路簡化原理圖如圖1所示。其直流參數(shù)對電路性能起決定作用。電源電壓為2.8V,電路的功耗在46mW,其中第1級的集電極電流最大。Q4,R7,R8,R9構(gòu)成一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò),控制第1級的電流。正常工作情況下Q4關(guān)斷。當(dāng)輸出端輸入高電壓時,Q4開啟并強(qiáng)制Q1關(guān)斷,電路進(jìn)入“休眠”狀態(tài),此時功耗降為16mW。在寬帶范圍內(nèi)同時滿足低噪聲和低功耗是非常困難的。整個電路的3個級僅有一個電感L1,其值為6nH,因此芯片面積不大。根據(jù)多級LNA的噪聲原理,在噪聲優(yōu)化上主要放在第1級,為了限制電路的噪聲,第1級是一個帶有集電極基級反饋電阻的共射結(jié)構(gòu),反饋電阻R6不會對噪聲特性帶來明顯影響。第2,3級主要在于提高電路的帶寬上,其中R4,R5是個射級負(fù)反饋結(jié)構(gòu),增大電路的帶寬,同時決定了電路的直流偏置。雖然R5處于Q3的射級,對第3級噪聲影響很大,但是根據(jù)多級放大器原理,對整個電路噪聲影響很小。整個電路沒有匹配電感、電容,完全借助各端的寄生參數(shù)實現(xiàn)輸入、輸出端的噪聲、增益等指標(biāo)的匹配,減小了電路的制造難度。5hartonicbpn的檢測結(jié)果通過S參數(shù)及諧波平衡HB仿真得到了增益S21、輸入回波損耗S11、輸出回波損耗S22、輸出端口的噪聲系數(shù)、最小噪聲系數(shù)以及1dB壓縮點。增益及輸入、輸出回波損耗如圖2和圖3所示。由圖可見,在0.5～6GHz范圍內(nèi)有一個平坦的增益,其中在2.4GHz其值為接近12.44dB,此時反向傳輸系數(shù)在-40dB以下?；夭〒p耗在4GHz時最佳,達(dá)到-35dB以下。輸出噪聲系數(shù)在2.4GHz時為1.117,與最小噪聲系數(shù)很接近,說明電路噪聲匹配很好。由HarmonicBalance控件仿真得到在2.4GHz時的1dB壓縮點為-18dB。如圖4,圖5所示。6頻率對壓縮點、噪聲系數(shù)的影響由仿真結(jié)果可知,電路的增益性能優(yōu)良,在50mW以內(nèi),實現(xiàn)了寬帶下的較高增益。電路的線性度較好,在2.4GHz時的1