微波宽带低噪声放大器的设计

微波宽带低噪声放大器的设计

1国内对lna在产权系统中的应用现状低噪声检测器（lna）用于通信、雷达、电子对抗、测量和模拟、透射天文学、地球测量、微波通信、电视和各种高精度微波测量系统。LNA在接收机系统中位于前端,主要作用是接收微弱的信号,而且要降低噪声干扰。因此,LNA的设计对整个接收机的性能至关重要,他直接影响整机性能,尤其是接收机灵敏度。国内对LNA的研究与制造相对比较落后,尤其是高端产品,尚未掌握规模生产技术,完全依赖进口来满足国内市场的需求。传统的单级LNA在一定的功耗下,对于带宽和噪声这两个指标往往难以兼顾。2sigehbt器件的优势SiGeHBT与SiBJT相比,最大的不同点在于结两端的材料不同,因此禁带宽度不同。对于在Si衬底上生长的应变SiGe合金,两者之间的禁带宽度变化主要表现为价带的不连续。在EB结正偏的情况下,发射区电子注入到基区需要越过的势垒与BJT相比基本不变,因而比基区空穴注入到发射区需要越过的势垒低,这就使发射结的发射效率得到极大的提高,为设计器件结构提供了更大的自由度。在保证电流增益的条件下,可以大幅度地提高基区掺杂浓度并减少基区厚度,解决了特征频率与基区电阻之间的矛盾,即可以在提高特征频率的同时减小基区电阻,从而减小器件的热噪声。器件的最高震荡频率也可以得到提高。因此SiGeHBT与SiBJT相比具有频率高、速度快、噪声低和电流增益大等明显的优势。从材料选取的角度上来看,虽然GaAs器件具有频率高、速度快的特点,适合于微波频段下的应用,但是其制造成本高、热导率差、机械强度低,因而不适合大规模集成。SiGe器件则不仅具有比Si器件频率高、速度快、噪声低和电流增益高的优点,而且在工艺上与Si器件相容,因而具有Si器件的低成本。所有这些表明SiGe器件将具有广阔的前景。3设计微波宽带噪声源的理论3.1定性的前提条件稳定性是微波宽带LNA设计所必须考虑的,其主要表现为对放大器震荡的抑制性,电路必须满足绝对稳定情况。微波晶体管稳定性的必要条件是:K=1−|S11|2−|S22|2+|Δ|22|S12S21|>1(1)B=1+|S11|2−|S22|2−|Δ|2>0(2)Δ=S11S22−S12S21(3)Κ=1-|S11|2-|S22|2+|Δ|22|S12S21|>1(1)B=1+|S11|2-|S22|2-|Δ|2>0(2)Δ=S11S22-S12S21(3)3.2多级放大电路中噪声的影响放大器的噪声和信号源的阻抗有关,输入匹配电路应该按照噪声最佳原则设计。但是在输入匹配电路做最佳噪声匹配时,放大器输入阻抗不一定恰好与信号源阻抗匹配,因此增益和噪声一般不能同时达到最佳,需要进行折中考虑。在多级放大电路中,由噪声系数公式:F=F1+F2−1G1+F3−1G1G2+⋯(4)F=F1+F2-1G1+F3-1G1G2+⋯(4)可以看出,决定电路噪声的主要是第1级放大电路,其他级的噪声影响依次减小。因此对多级电路的噪声优化主要在于第1级。3.3抗增长电路。在做在多级LNA的设计中,前级电路更注重噪声,后级电路更注重增益。这样可以尽可能地满足低噪声下的高增益。对于带宽的要求,一般采用负反馈技术,在牺牲一部分噪声和增益的情况下增大带宽。4多级lna噪声特性采用NEC硅锗晶体管2SC5761建立电路结构。电路简化原理图如图1所示。其直流参数对电路性能起决定作用。电源电压为2.8V,电路的功耗在46mW,其中第1级的集电极电流最大。Q4,R7,R8,R9构成一个开关网络,控制第1级的电流。正常工作情况下Q4关断。当输出端输入高电压时,Q4开启并强制Q1关断,电路进入“休眠”状态,此时功耗降为16mW。在宽带范围内同时满足低噪声和低功耗是非常困难的。整个电路的3个级仅有一个电感L1,其值为6nH,因此芯片面积不大。根据多级LNA的噪声原理,在噪声优化上主要放在第1级,为了限制电路的噪声,第1级是一个带有集电极基级反馈电阻的共射结构,反馈电阻R6不会对噪声特性带来明显影响。第2,3级主要在于提高电路的带宽上,其中R4,R5是个射级负反馈结构,增大电路的带宽,同时决定了电路的直流偏置。虽然R5处于Q3的射级,对第3级噪声影响很大,但是根据多级放大器原理,对整个电路噪声影响很小。整个电路没有匹配电感、电容,完全借助各端的寄生参数实现输入、输出端的噪声、增益等指标的匹配,减小了电路的制造难度。5hartonicbpn的检测结果通过S参数及谐波平衡HB仿真得到了增益S21、输入回波损耗S11、输出回波损耗S22、输出端口的噪声系数、最小噪声系数以及1dB压缩点。增益及输入、输出回波损耗如图2和图3所示。由图可见,在0.5～6GHz范围内有一个平坦的增益,其中在2.4GHz其值为接近12.44dB,此时反向传输系数在-40dB以下。回波损耗在4GHz时最佳,达到-35dB以下。输出噪声系数在2.4GHz时为1.117,与最小噪声系数很接近,说明电路噪声匹配很好。由HarmonicBalance控件仿真得到在2.4GHz时的1dB压缩点为-18dB。如图4,图5所示。6频率对压缩点、噪声系数的影响由仿真结果可知,电路的增益性能优良,在50mW以内,实现了宽带下的较高增益。电路的线性度较好,在2.4GHz时的1