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(hào)。包括業(yè)界最小尺寸的真對(duì)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(jí)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(hào)通常很小,需要對(duì)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(duì)天線接收的微弱信號(hào)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(hào)是很微弱的，故它是一個(gè)信號(hào)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(jí)電路噪聲對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。