如何實(shí)現(xiàn)高線性低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

　　本文先容了一種L波段單級(jí)高線性低噪聲放大器的工作原理和設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)的接收機(jī)射頻前端放大器主要考慮低噪聲和高增益特性不同，文中選用了低本錢、低功耗的SiGe NPN BJT器件設(shè)計(jì)高三階交截點(diǎn)的低噪聲放大器。設(shè)計(jì)中利用了微波 CAD工具對電路進(jìn)行仿真與優(yōu)化，同時(shí)對天生的微帶印刷電路板進(jìn)行了電磁仿真。

　　隨著無線通訊事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對無線系統(tǒng)的射頻接收機(jī)提出了越來越高的要求，比如低功耗、低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度和高線性度等。因此，處于接收機(jī)最前真?zhèn)€放大器對于進(jìn)步系統(tǒng)性能起到了關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的研究主要集中在如何獲得低噪聲和高增益特性上，對接收前端放大器高線性度題目的研究經(jīng)常被忽略。 Ansoft公司的Designer軟件包是集電路和電磁仿真于一體的強(qiáng)大CAD工具。設(shè)計(jì)中，利用該軟件對放大器的三階互調(diào)和噪聲等性能進(jìn)行仿真和優(yōu)化，同時(shí)對天生的PCB進(jìn)行了電磁仿真，得到了令人滿足的設(shè)計(jì)結(jié)果。這種低本錢、低功耗和高線性的 LNA可廣泛應(yīng)用于PCS波段以及CDMA蜂窩移動(dòng)手機(jī)中。

　　1 高線性低噪聲放大器原理設(shè)計(jì)

　　1. 1 系統(tǒng)考慮與主要指標(biāo)要求

　　在移動(dòng)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，低噪聲放大器處于接收機(jī)的射頻最前端，如圖1所示。因此，系統(tǒng)的噪聲性能和線性度主要取決于該前端放大器的噪聲性能和線性特性。這里設(shè)計(jì)的放大器主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率范圍f =1950 MHz;增益G 》14dB;噪聲系數(shù)Nf 《 1.1dB;輸出1dB;壓縮點(diǎn)OP1dB》+ 5 dBm;輸出三階交截點(diǎn)OIP3 》 + 24dBm輸進(jìn)輸出回波損耗RL《10dB。

　　1. 2 器件選擇與偏置電路設(shè)計(jì)

　　隨著微電子工藝的不斷進(jìn)步，已能選擇到噪聲性能好、線性度高同時(shí)價(jià)格又便宜的雙極晶體管，可以實(shí)現(xiàn)高線性低噪聲放大器。直流偏置決定了晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)，因而也就決定了放大器的各種性能。但這些性能參數(shù)經(jīng)常相互矛盾、彼此制約，因此， 在考慮直流偏置點(diǎn)時(shí)，通常要在各種特定指標(biāo)，如增益、線性度、噪聲系數(shù)和功率消耗等之間作出折衷的選擇。盡管大電流可以改善線性度和增益，但同時(shí)也帶來噪聲系數(shù)的增加。通過增加集- 射極電壓可以改進(jìn)電路的線性度，但是當(dāng)接近擊穿電壓（BVCEO） 時(shí)，噪聲系數(shù)會(huì)由于電壓擊穿而開始惡化。設(shè)計(jì)所選器件的最小擊穿電壓為2.3V，因此，在綜合考慮各種特定指標(biāo)要求的情況下選擇C-E極間偏置電壓Vce=2.0V和集電極偏置電流Ic=8 mA。電阻R3將電源電壓由3V降低到2.1V， R2給晶體管的基極提供電壓偏置， R1起到改善放大器穩(wěn)定度的作用。圖2所示偏置電路簡單實(shí)用，并提供適當(dāng)數(shù)目的負(fù)反饋用于補(bǔ)償由于器件的離散性和整個(gè)寬溫（ -40℃～+85℃）工作范圍內(nèi)直流增益β的變化。其反饋原理是：假如溫度變化或器件離散性使直流增益β產(chǎn)生變化而導(dǎo)致器件電流增加，則電阻R3壓降會(huì)增加，這樣基極電壓 VB會(huì)減少，從而器件電流減小，因此提供了直流負(fù)反饋，使器件的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。