《電子技術(shù)應用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 設計應用 > 增益可調(diào)的高性能低噪聲放大器的設計與實現(xiàn)
增益可調(diào)的高性能低噪聲放大器的設計與實現(xiàn)
摘要: 低噪聲放大器是處于接收機最前端的關(guān)鍵部件,廣泛應用于移動通信、雷達、電子對抗及遙控遙測系統(tǒng)。
Abstract:
Key words :

  低噪聲放大器(Low-noise Amplifier,簡稱LNA)是處于接收機最前端的關(guān)鍵部件,廣泛應用于移動通信、雷達、電子對抗及遙控遙測系統(tǒng)。它的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號,降低噪聲干擾,提高接收信號靈敏度,以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù),其噪聲、線性和匹配等性能好壞直接影響到整個接收系統(tǒng)的性能,本文著重對實現(xiàn)增益可調(diào)和提高電路的線性度和穩(wěn)定性、降低噪聲系數(shù)及改善電路的輸入/ 輸出匹配特性的方法進行了分析研究。

  目前,低噪聲放大器的設計普遍采用CAD 的方法進行仿真,相對而言,先進設計系統(tǒng)(ADS)功能強大,簡明直觀,應用范圍較廣,本文使用ADS軟件,通過線性或非線性的操作模式對放大器電路進行模擬仿真。

  接收機前端結(jié)構(gòu)

  在設計接收機時,應充分考慮它的容錯性,一旦某器件出現(xiàn)故障,系統(tǒng)仍能正常工作,一般用冗余設計的方法來保證其高可靠性。

  如圖1 所示,當LNA 出現(xiàn)故障時,旁路開關(guān)的切換可以使輸入信號不經(jīng)過LNA 而直接輸出,保證系統(tǒng)仍然能正常運行。本設計采用PIN 開關(guān)二極管HSMP-4890 實現(xiàn)旁路控制,在LNA 斷電的情況下,信號旁路,且通過控制模塊告警。再則,L N A 采用平衡結(jié)構(gòu),這樣,能保證輸入和輸出50 Ω阻抗匹配,并且比單級放大結(jié)構(gòu)的截取點高3 dB,這種冗余結(jié)構(gòu)也增強了系統(tǒng)工作的可靠性,一旦一路壞掉以后,LNA 仍能工作,只不過增益大概減小6 dB。控制模塊控制旁路開關(guān)通斷,給LNA 提供電源,并且通過控制輸出端衰減達到調(diào)節(jié)增益的目的。

接收機前端功能框圖

  LNA 設計的技術(shù)指標:工作頻率825 MHz — 835 MHz;噪聲系數(shù)<1.8 dB;增益2 dB—12 dB,步進1 dB;旁通時插入損耗≤ 2.5 dB;輸出三階交調(diào)截取點OIP3>20 dBm;輸出1 dB 壓縮點P>10 dBm;回波損耗≥ 18 dB;最大工作電流≤ 120 mA。

  關(guān)鍵器件選擇

  ATF-54143 是一款高增益、寬動態(tài)范圍、低噪聲的E-PHEMT(增強模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管),只需要一個

 

正的電壓偏置,器件體積小,電路集成度高,特別適用于450 MHz — 6 GHz 頻段的通信系統(tǒng)。而且根據(jù)器件性能,在漏電流IDS為60 mA時能得到最高的三階截取點(IP3)和最低噪聲系數(shù)(NF),在漏電壓VDS為3 V 時,有較高的增益。同時選擇Xinger 1D1304-3,它是一款3dB,90度混合耦合器,具有在800 MHz — 1200 MHz 頻帶內(nèi)插入損耗小,高隔離度等優(yōu)點,特別適用于平衡結(jié)構(gòu)的LNA設計。

 

  考慮增益可調(diào)這部分,采用5 bit 數(shù)控衰減器HMC273(0.7 GHz — 3.7 GHz,1dB —31 dB 衰減范圍),只要控制低4 bit的輸入高低電平就能達到0 dB— 15 dB 衰減范圍,滿足了增益步進要求。

  LNA 電路的設計

  通常,在設計LNA 時主要考慮低噪聲系數(shù)(NF),足夠的增益和絕對穩(wěn)定性,但在實際應用中,高截取點、供電電壓和低電流損耗也需要考慮。

  直流偏置電路的設計

  首先,以ATF-54143 的柵極電壓VDS 作為掃描參數(shù)對元件的靜態(tài)工作點(漏極電流IDS 和漏極電壓VDS)進行仿真。圖2 和圖3 分別為仿真圖和電路原理圖。再根據(jù)選定的VDS(3 V),IDS(60 mA),VGS(0.56 V), 用公式(1)(2)(3)計算各偏置電阻值。

公式

仿真圖和電路原理圖

  式中,IBB=2 mA 是設定流經(jīng)R1 和R2 電阻分壓網(wǎng)絡的電流,Vdd=5 V 是供電電壓,經(jīng)計算得出各偏置電阻值:R1=280 Ω,R2=1220 Ω,網(wǎng)R3=33 Ω。

  穩(wěn)定電路的設計

  電路不穩(wěn)定主要由3 個原因產(chǎn)生:晶體管內(nèi)部的反饋回路,由外部電路產(chǎn)生的在晶體管外部的反饋支路,以及通帶外的多余的增益。絕對穩(wěn)定意味著對于任何源端和負載端的阻抗,電路都不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況,通??梢杂蒖ollett穩(wěn)定因子來表示。絕對穩(wěn)定的條件是:

公式

  改進方法之一是可以在晶體管的源端對地加上一小段微帶線,相當于電感性元件的負反饋,可以改善輸入回波損耗和低頻穩(wěn)定度,提高線性度;同時在放大電路的輸出端可以加上π型阻性衰減器,對改善穩(wěn)定性也很有效。

  仿真證明,在源端作上述設計后K 值將在帶內(nèi)大于1 。但要注意,在放大管源極添加傳輸線來穩(wěn)定的方法是以犧牲放大器其他性能為代價的,同時過長的傳輸線增加了電路自激的可能性。為了尋求平衡,在實際設計PCB 時,將源端微帶線預留足夠的長度,調(diào)試時可根據(jù)實際情況調(diào)整其接地的長度,再將多余的帶線切斷除去。

  匹配網(wǎng)絡的設計

  輸入匹配網(wǎng)絡一般為獲得最小噪聲而設計,為接近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡,而輸出匹配網(wǎng)絡一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設計。由于本設計對LNA 增益的要求不是太高,所以設計匹配網(wǎng)絡時首先考慮噪聲系數(shù)。輸入匹配網(wǎng)絡由元件的最佳噪聲反射系數(shù)Topt為主來決定,以求得噪聲系數(shù)NF 降到最小,根據(jù)S 參量仿真得到的最佳噪聲系數(shù)匹配條件,利用ADS 提供的Smith 圓圖工具可以很方便地進行輸入輸出匹配網(wǎng)絡的設計。

 

  可得出輸入高通網(wǎng)絡L1 為12 nH,C1 為5.6 pF,輸出高通匹配網(wǎng)絡L4為15 nH ,C4為3 pF 。

  ADS 仿真

  線性仿真

  線性分析時可以用Touchstone 格式的兩端口S參量對晶體管進行建模,用基于4端口的Touchstone線性S 參數(shù)文件對混合耦合器建模,在此引用ATF-54143 的S2p 文件和1D1304-3 的S4p 文件。為了得到更切合實際的結(jié)果,傳輸線部分也采用ADS 庫中的微帶線模型。在對平衡結(jié)構(gòu)LNA 的Sparams_wNoise仿真時,主要是調(diào)節(jié)微帶線的長度,以得到最佳匹配結(jié)果,本次板材采用介電常數(shù)為2.55 的聚四氟乙烯,介質(zhì)厚0.8 mm,微帶線高18 μm,微帶線寬度用ADS 的LineCalc 工具計算,經(jīng)過反復試驗得出結(jié)果如圖4 所示。

反復試驗得出結(jié)果

  非線性仿真

  諧波平衡(HB)仿真可用于得出1 dB 壓縮點P 和輸出三階截取點(OIP3)等非線性參數(shù),兩者仿真設置的主要區(qū)別在于信號源的不同,前者信號源是P_1Tone,后者是P_nTone 提供調(diào)諧頻率信號,相應H B 仿真的設置也有不同。

  仿真得到的P-1 dB為16.5 dBm,OIP3為32.2 dBm,結(jié)果比較理想,見圖5 所示。

單路LNA非線性仿真圖

  PCB 制板

  用DC-DC 轉(zhuǎn)換芯片將外部輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V,給晶體管提供偏置電壓。數(shù)控衰減器HMC273 放置在放大耦合輸出的近端,也需要5 V 電源供電,5管腳16 dB 衰減控制口直接置高電平,1 — 4 管腳連接外部輸入口;遠端放置π型阻性電路,可用于調(diào)節(jié)增益和增加電路穩(wěn)定性。旁路與放大電路在輸出端用PIN 開關(guān)二極管HSMP-4890 連接,起隔離的作用,保證旁路插入損耗小。旁路和耦合器輸入端帶線均為1/4 波長,以保證相位匹配,使回波損耗最小。

 

  繪制P C B 電路板時還須注意以下幾個方面:

 ?。?)根據(jù)信號頻率,板材參數(shù)計算微帶線寬度,為了彌補實際和仿真的差別,一般不將阻抗值嚴格地設為50 Ω計算,而是偏高1 Ω— 2 Ω,調(diào)試中通過改變接地電容的量值和位置就可以得到較寬的電路參數(shù)調(diào)整范圍。

 ?。?)預留出可調(diào)的電容位置,關(guān)鍵是放大器輸入輸出端。

 ?。?)為了避免干擾,射頻微帶線之間以及普通信號線(控制HMC273 )均避免鄰接,中間必須用地隔開。

 ?。?)在射頻信號經(jīng)過的帶線范圍內(nèi),底層電源線也盡量避免經(jīng)過,可選擇耦合器中部穿過,以免改變阻抗,影響性能。

  結(jié)束語

  本文設計的平衡結(jié)構(gòu)LNA 和利用開關(guān)二極管控制旁路提高了工作可靠性,并且用簡單靈活的方法實現(xiàn)了增益可調(diào)。測試結(jié)果表明,實際測得的LNA 技術(shù)指標能夠與仿真結(jié)果較好地吻合,E -pHEMT 管的低噪聲系數(shù)和高OIP3 使它在高動態(tài)范圍電路設計上具有很大的優(yōu)勢。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。