一種接收前端三級低噪聲放大器的設(shè)計

0 引言

在現(xiàn)代雷達(dá)接收機中，應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)是超外差結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，單片系統(tǒng)往往需要片外濾波器去除鏡像信號，例如SAW濾波器，因而給系統(tǒng)的集成度帶來影響。為了達(dá)到一定的鏡像抑制比，而又不使用片外濾波器，通常使用鏡像抑制混頻器能提供60 dB左右的抑制度。但現(xiàn)代雷達(dá)接收機至少需要80 dB的抑制度，這就給鏡像抑制混頻器的設(shè)計增加了難度。

為解決該問題，研究工作主要集中在鏡像抑制LNA的設(shè)計上。從文獻(xiàn)中，可以看到通過LNA與陷波濾波器(notch filter)的連接，其單片LNA的抑制度分別達(dá)到20 dB和75 dB。本文結(jié)合雷達(dá)接收機中LNA的指標(biāo)，通過設(shè)計電路結(jié)構(gòu)提高抑制度，與后級的鏡像抑制混頻器連接達(dá)到了較高的鏡像抑制比，提高了整個雷達(dá)接收機對鏡像信號的抑制度。

1 陷波濾波器

在本文中，對低噪聲放大器的要求是工作頻段為S頻段，噪聲系數(shù)FN為2～3 dB，功率增益在30 dB以上，輸出1 dB壓縮點不低于10dBm，工作電壓為5 v。針對以上要求，采用的LNA基本結(jié)構(gòu)為發(fā)射極電感負(fù)反饋。式(1)表明，選擇適當(dāng)?shù)母兄稻湍苁苟丝诘玫狡ヅ?，最重要的是，這種結(jié)構(gòu)在信號的通道上避免了噪聲電阻，大大降低了噪聲系數(shù)，如圖1所示。

陷波濾波器分為有源和無源2種結(jié)構(gòu)，為減少設(shè)計的復(fù)雜度，在鏡像抑制LNA設(shè)計中，采用無源結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中包括了C1，C2和L1 3個無源元件(L1中寄生電阻值為RL1)。

2 LNA設(shè)計分析

LNA的性能很大程度上決定了雷達(dá)接收機的性能指標(biāo)。為了滿足設(shè)計指標(biāo)中的功率增益，實際的LNA采用三級級聯(lián)的方式設(shè)計。

式中：Fn，GAn，(IIP3)n分別為LNA每級的噪聲系數(shù)(這里n=1，2，3)，功率增益和三階交調(diào)參數(shù)。

從式(6)、式(7)不難得出：

(1)降低模塊的噪聲系數(shù)，主要是降低前級電路的噪聲系數(shù)；

(2)為了降低后續(xù)電路的噪聲對整個模塊的噪聲影響，前級模塊需要提供適當(dāng)?shù)脑鲆妫?/p>

(3)要提高模塊的線性度，除了提高各級電路的線性度之外，各級的增益不能太高。

為了滿足整個LNA的噪聲要求，第一級放大器應(yīng)主要面向優(yōu)化噪聲設(shè)計，以得到最小的噪聲系數(shù)，整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)基本取決于第一級的噪聲系數(shù)。第二級放大器應(yīng)在面向噪聲優(yōu)化的同時，提供一定的增益和線性度，以避免整個放大器的增益過低。第三級放大器主要面向線性度的優(yōu)化，通過諸如增大發(fā)射極電感的大小和晶體管偏置電流等手段，可以有效地提高1 dB功率壓縮點輸出功率，但是增益會受到一定的影響。

基本放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)，既可以增加輸入／輸出的隔離度，又降低了Ld1和M2間的Miller效應(yīng)。同時，M1與M2之間接入電感Ld1，有助于改善放大器的增益和噪聲情況。

在三級電路設(shè)計中，最復(fù)雜的是第三級電路。第三級放大器要滿足1 dB功率壓縮點輸出不小于10 dBm的要求，因此主要是面向優(yōu)化線性度設(shè)計。放大器的電路圖如圖3所示，放大器的輸出功率三階交調(diào)點可以由式(8)來估計：

從式(8)中可以看出要提高放大器的線性度，可以通過提高放大管的Vce電壓和集電極電流Ic。由于Vce不會很高，主要就是通過提高集電極電流Ic來提高放大器的線性度，但是一味地提高電流也會帶來功耗的增加。

增加發(fā)射極電感可以提高1 dB功率壓縮點的輸出功率，但是放大器的增益會隨之降低，同時1 dB功率壓縮點的輸入會增大，加大對前一級放大器線性度的壓力。所以發(fā)射極電感只能選擇一個合適的感值，不能過大。

3 LNA仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

在鏡像頻率附近，增益由無陷波濾波器時的25 dB左右，降到-21．9 dB值附近，對進(jìn)入LNA的鏡像信號起到一定的抑制作用。表1表明電路在頻段內(nèi)穩(wěn)定度狀況，系數(shù)遠(yuǎn)大于1，電路絕對穩(wěn)定。

另外，從式(5)可看出陷波濾波器的Q值受電感中的寄生電阻所限制。所以，在CMOS工藝中，電感的特性影響著LNA最后的性能。

通過表2可以看到LNA在有陷波濾波器和沒有陷波濾波器兩種情況下的仿真結(jié)果的對比。

4 結(jié)語

為了達(dá)到單片雷達(dá)接收機對鏡像抑制度的要求，采用CMOS O．18μm工藝設(shè)計了一個三級級聯(lián)的鏡像抑制LNA。通過在LNA中接入無源限波濾波器，實現(xiàn)對鏡像信號的衰減，從而減小了后端混頻器電路的設(shè)計難度。

最后在ADS中對設(shè)計的放大器進(jìn)行仿真，其結(jié)果為，最大供電電壓為5 V情況下，信號頻段3．0～3．2 GHz，中頻輸出為225 MHz，功率增益≥31 dB，噪聲系數(shù)≤O．5 dB，輸入／輸出1 dB點的功率分別為-19．5 dBm和11．5 dBm，對鏡像信號的抑制度達(dá)22 dB。避免了使用片外濾波器，提高了系統(tǒng)的集成度。由于目前的CMOS工藝中，電感的品質(zhì)依然有待提高。單片鏡像抑制LNA要想達(dá)到更好的性能，還有待進(jìn)一步研究。