低噪音放大器具有哪些設(shè)計(jì)方法？

本文主要重點(diǎn)講解低噪聲放大器的定義、主要特點(diǎn)、性能指標(biāo)、基本設(shè)計(jì)步驟和常見的低噪放電路配置。

我司是一家無線通信集成電路科技公司、在射頻和微波集成電路及多芯片組件的設(shè)計(jì)、制造處于行業(yè)領(lǐng)先地位。在中國多個(gè)區(qū)域建有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品線、制造和銷售1000多個(gè)產(chǎn)品型號。包括業(yè)界最小尺寸的真對數(shù)放大器(5mmX5mm)、低噪聲放大器(LNA、NF=0.20dB)、壓控振蕩器(VCO)、開關(guān)(SWITCH)、低插損濾波器(Low Loss filter)、電源控制(DC-control) ，高線性功率放大器(H-LPA)，上電時(shí)序控制電路(Power timing sequence control circuit)和子系統(tǒng)。同時(shí)承接先進(jìn)系統(tǒng)封裝(SiP系統(tǒng)級封裝)定制解決方案，為高端設(shè)備制造商提供核心競爭力的高性能、高質(zhì)量產(chǎn)品。

一、低噪聲放大器定義

低噪聲放大器(簡稱LNA)是射頻接收機(jī)前端的主要部分，要求具有最小的噪聲系數(shù)、較大的增益、足夠的動(dòng)態(tài)范圍、輸入端良好匹配和一定的頻帶選擇等性能。

低噪聲放大器通常在通信射頻前端的位置，例如在單次變頻超外差式接收機(jī)里

由于天線接收輸入信號通常很小,需要對其進(jìn)行放大，但為了盡可能地少的引入噪聲，故采用低噪聲放大器對天線接收的微弱信號進(jìn)行放大。

二、低噪聲放大器的主要特點(diǎn)

(1) LNA靠近接收機(jī)的最前端，要求它的噪聲系數(shù)越小越好。

(2) LNA所接受的信號是很微弱的，故它是一個(gè)信號線性放大器。

(3) 低噪聲放大器的輸入端必須與前接的天線濾波器或天線匹配。

(4) 低噪聲放大器應(yīng)具有一定的選頻能力，因此它一般是頻帶放大器。

三、低噪聲放大器的主要指標(biāo)

低噪聲放大器的主要指標(biāo)

(1) 噪聲系數(shù)(F)

取決于系統(tǒng)要求，可以從1dB以下到幾個(gè)dB，噪聲系數(shù)與放大器的工作頻率、靜態(tài)工作點(diǎn)及工藝有關(guān)，是低噪聲放大器最為關(guān)鍵的指標(biāo)。

(2)增益(S21)

較大的增益有助于減小低噪聲放大器后級電路噪聲對接收機(jī)的影響，但增 益過大將會(huì)引起線性度的惡化。因此，低噪聲放大器的增益應(yīng)適中，一般在25dB以下。

(3) 輸入輸出匹配(S11, S22)

輸入輸出匹配決定輸入輸出端的射頻濾波器的頻響

(4)反向隔離(S12)

反映輸出端與輸入端的隔離度，隔離度越大越好。

(5)線性度、線性范圍

衡量指標(biāo)：三階互調(diào)截點(diǎn)IIP3、增益1dB壓縮點(diǎn)，

線性范圍和器件有關(guān)，場效應(yīng)管由于是平方率特性，因此它的線性要比雙極型好。

線性范圍和電路結(jié)構(gòu)有關(guān)。

輸入端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也會(huì)影響LNA的線性范圍。

(6)隔離度和穩(wěn)定性

增大低噪聲放大器的反向隔離可以減少本振信號從混頻器向天線泄露程度，以增強(qiáng)放大器的穩(wěn)定性。通常采用中和電容法及晶體管共射共基(或共源共柵)結(jié)構(gòu)提高穩(wěn)定性。

低噪聲放大器是電子電路中的重要組成部分，其設(shè)計(jì)方法直接影響整個(gè)電路的性能和穩(wěn)定性。本文將介紹低噪聲放大器的基礎(chǔ)原理、設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化技巧，幫助讀者更好地理解和應(yīng)用低噪聲放大器。

一、低噪聲放大器的基礎(chǔ)原理

低噪聲放大器是一種能夠在信號放大的同時(shí)盡量減小噪聲的放大器。其基礎(chǔ)原理是在放大信號的同時(shí)，將噪聲最小化。噪聲可以從放大器的輸入端、輸出端以及放大器內(nèi)部各個(gè)部分產(chǎn)生。因此，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面：

1. 選擇合適的放大器結(jié)構(gòu)：低噪聲放大器常采用共源極放大器、共基極放大器和共射極放大器等結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場景和信號特性來確定。

2. 優(yōu)化放大器的增益和帶寬：增益和帶寬是低噪聲放大器的兩個(gè)重要指標(biāo)。增益越大，放大器的信噪比越高;帶寬越寬，放大器的頻率響應(yīng)越好。因此，在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，需要在增益和帶寬之間做出權(quán)衡。

3. 降低噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)是低噪聲放大器的另一個(gè)重要指標(biāo)。噪聲系數(shù)越小，放大器的噪聲就越小。降低噪聲系數(shù)的方法包括選擇合適的放大器管件、優(yōu)化輸入和輸出匹配電路、降低放大器內(nèi)部噪聲等。

二、低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法

1. 選擇合適的放大器管件

選擇合適的放大器管件是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的第一步。常用的放大器管件有雙極型晶體管、場效應(yīng)管和雙極型集成電路等。在選擇放大器管件時(shí)，需要考慮其噪聲系數(shù)、增益、帶寬等指標(biāo)，并根據(jù)具體的應(yīng)用場景和信號特性來確定。

2. 優(yōu)化輸入和輸出匹配電路

輸入和輸出匹配電路是低噪聲放大器中的關(guān)鍵部分，它們決定了放大器的噪聲系數(shù)和帶寬。在設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配電路時(shí)，需要根據(jù)放大器管件的參數(shù)來確定匹配電路的參數(shù)，以達(dá)到最佳的匹配效果。

3. 降低放大器內(nèi)部噪聲

放大器內(nèi)部噪聲是低噪聲放大器中的另一個(gè)重要問題。降低放大器內(nèi)部噪聲的方法包括降低放大器管件的噪聲系數(shù)、優(yōu)化放大器的布局和電路結(jié)構(gòu)、降低放大器的工作溫度等。

4. 優(yōu)化放大器的增益和帶寬

增益和帶寬是低噪聲放大器的兩個(gè)重要指標(biāo)。在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，需要在增益和帶寬之間做出權(quán)衡。增益和帶寬的優(yōu)化方法包括選擇合適的放大器管件、優(yōu)化輸入和輸出匹配電路、優(yōu)化放大器的布局和電路結(jié)構(gòu)等。

三、低噪聲放大器的優(yōu)化技巧

1. 選擇合適的電源噪聲濾波器

電源噪聲是低噪聲放大器中的一個(gè)重要干擾源。為了降低電源噪聲對放大器的影響，可以選擇合適的電源噪聲濾波器，將電源噪聲濾除。

2. 采用低噪聲電阻器

電阻器是電路中常見的元件，但是它們也會(huì)產(chǎn)生噪聲。為了降低電阻器的噪聲，可以采用低噪聲電阻器，如金屬膜電阻器、金屬氧化物薄膜電阻器等。

3. 優(yōu)化放大器的布局和電路結(jié)構(gòu)

放大器的布局和電路結(jié)構(gòu)對其性能和穩(wěn)定性有著重要的影響。優(yōu)化放大器的布局和電路結(jié)構(gòu)可以降低放大器的噪聲系數(shù)、提高增益和帶寬。

4. 保持放大器的穩(wěn)定性

放大器的穩(wěn)定性是低噪聲放大器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。為了保持放大器的穩(wěn)定性，可以采用負(fù)反饋電路、加入穩(wěn)定電路等方法。

低噪聲放大器的兩種設(shè)計(jì)方法

劉豐華

摘要： 低噪聲放大器是射頻收發(fā)機(jī)的一個(gè)重要組成部分，也是射頻電路設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。在此先對晶體管ATF-54143做了定性分析，根據(jù)定性分析以及實(shí)際需求，闡述了射頻低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真的兩種方法。一種是以最佳噪聲系數(shù)為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法;另一種是以噪聲系數(shù)為主兼顧增益目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法。該方法詳盡且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確真實(shí)，其仿真結(jié)果均符合預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：放大器射頻收發(fā)機(jī)噪聲Abstract：

Key words :

低噪聲放大器(LNA)是射頻收發(fā)機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它能有效提高接收機(jī)的接收靈敏度，進(jìn)而提高收發(fā)機(jī)的傳輸距離。因此低噪聲放大器的設(shè)計(jì)是否良好，關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。本文以晶體管ATF-54143為例，說明兩種不同低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法，其頻率范圍為2～2.2 GHz;晶體管工作電壓為3 V;工作電流為40 mA;輸入輸出阻抗為50 Ω。

1 定性分析

1.1 晶體管的建模

通過網(wǎng)絡(luò)可以查閱晶體管生產(chǎn)廠商的相關(guān)資料，可以下載廠商提供的該款晶體管模型，也可以根據(jù)實(shí)際需要下載該管的S2P文件。本例采用直接將該管的S2P文件導(dǎo)入到軟件中，利用S參數(shù)為模型設(shè)計(jì)電路。如果是第一次導(dǎo)入，則可以利用模塊S-Params進(jìn)行S參數(shù)仿真，觀察得到的S參數(shù)與S2P文件提供的數(shù)據(jù)是否相同，同時(shí)，測量晶體管的輸入阻抗與對應(yīng)的最小噪聲系數(shù)，以及判斷晶體管的穩(wěn)定性等，為下一步驟做好準(zhǔn)備。

1.2 晶體管的穩(wěn)定性

對電路完成S參數(shù)仿真后，可以得到輸入/輸出端的mu在頻率2～2.2 GHz之間均小于1，根據(jù)射頻相關(guān)理論，晶體管是不穩(wěn)定的。通過在輸出端并聯(lián)一個(gè)10 Ω和5 pF的電容，m2和m3的值均大于1，如圖1，圖2所示。晶體管實(shí)現(xiàn)了在帶寬內(nèi)條件穩(wěn)定，并且測得在2.1 GHz時(shí)的輸入阻抗為16.827-j16.041。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于在輸出端加入了電阻，使得Fmin由0.48增大到0.573，Γopt為0.329∠125.99°，Zopt=(30.007+j17.754)Ω。其中，Γopt是最佳信源反射系數(shù)。

1.3 制定方案

如圖3所示，將可用增益圓族與噪聲系數(shù)圓族畫在同一個(gè)Γs平面上。通過分析可知，如果可用增益圓通過最佳噪聲系數(shù)所在點(diǎn)的位置，并根據(jù)該點(diǎn)來進(jìn)行輸入端電路匹配的話，此時(shí)對于LNA而言，噪聲系數(shù)是最小的，但是其增益并沒有達(dá)到最佳放大。因此它是通過犧牲可用增益來換取的。在這種情況下，該晶體管增益可以達(dá)到14 dB左右，F(xiàn)min大約為0.48，如圖3所示。

另一種方案是在可用增益和噪聲系數(shù)之間取得平衡，以盡可能用小噪聲匹配為目標(biāo)，采用在兼顧增益前提下的設(shè)計(jì)方案。在這種情況下該晶體管增益大約為15 dB左右，F(xiàn)min大約為0.7(見圖3)。這個(gè)就是本文中提到的第2種方案。

2 以最佳噪聲系數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)方案的仿真

2.1 輸入匹配電路設(shè)計(jì)

對于低噪聲放大器，為了獲得最小的噪聲系數(shù)，Γs有個(gè)最佳Γopt系數(shù)值，此時(shí)LNA達(dá)到最小噪聲系數(shù)，即達(dá)到最佳噪聲匹配狀態(tài)。當(dāng)匹配狀態(tài)偏離最佳位置時(shí)，LNA的噪聲系數(shù)將增大。前面定性分析中已經(jīng)獲得Γopt=0.329∠125.99°，以及對應(yīng)的Zopt=30.007+j17.754 Ω。下面可以利用ADS的Passive Circuit/Micorstrip ControlWindow這個(gè)工具，自動(dòng)生成輸入端口的匹配電路。