L波段200MHz帶寬LNA設(shè)計(jì)

引言

低噪聲放大器(LNA)是雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、遙測(cè)遙控等電子系統(tǒng)中關(guān)鍵的微波部件，有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。由于微波系統(tǒng)的噪聲系數(shù)基本上取決于前級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，因此LNA噪聲系數(shù)的優(yōu)劣會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)主要包括輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和直流偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)以及改善晶體管穩(wěn)定的措施。本文首先介紹放大器提高穩(wěn)定性的源極串聯(lián)負(fù)反饋原理，然后設(shè)計(jì)了一個(gè)L波段的低噪聲放大器實(shí)例，并給出了放火器輸入、輸出回波損耗、增益、噪聲系數(shù)等參數(shù)的仿真結(jié)果。

低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器的性能指標(biāo)為：在1.90GHz～2.10GHz的頻段內(nèi)，功率增益Gp≥30dB，噪聲系數(shù)NF≤1dB?？紤]指標(biāo)要求，擬采用兩級(jí)放大級(jí)聯(lián)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。n級(jí)放大器噪聲系數(shù)可表示為：

n級(jí)放大器噪聲系數(shù)公式

其中，NF為放大器整機(jī)的噪聲系數(shù);NF1、NF2…NFn分別是放大器第1級(jí)、第2級(jí)至第n級(jí)的噪聲系數(shù);G1、G2、…Gn-1分別是放大器第1級(jí)、第2級(jí)至第n-1級(jí)的功率增益。由公式(1)可知，第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)和增益將直接影響整個(gè)放大器的噪聲系數(shù)。級(jí)聯(lián)低噪聲放大器要獲得低的噪聲系數(shù)，選擇的放大器第一級(jí)晶體管應(yīng)該在工作頻率具有低的噪聲系數(shù)和較高的增益。設(shè)計(jì)LNA首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)選擇合適的器件，然后根據(jù)器件在工作頻率的阻抗特性設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

由于設(shè)計(jì)的低噪聲放大器的增益指標(biāo)大于30dB，因此需要使用多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。Agilent公司的ATF54143 E-PHEMT晶體管具有高增益和低噪聲的特性，適用于頻率范圍在450MHz～6GHz無線系統(tǒng)的各種LNA電路中。該管子在2GHz頻點(diǎn)上的噪聲系數(shù)是0.5dB，增益為17dB，因此選擇了該晶體管作為放大器的第一級(jí);為實(shí)現(xiàn)放大器的增益指標(biāo)，選用MGA86576作為第二級(jí)。

源極串聯(lián)反饋電感對(duì)穩(wěn)定性的影響

穩(wěn)定性是LNA電路必須考慮的，放大器的穩(wěn)定性是指對(duì)振蕩的抑制水平，必須保證放大器的穩(wěn)定性，以避免可能出現(xiàn)的自激。在晶體管放人器的二端口網(wǎng)絡(luò)中，它的兩個(gè)端口分別接信號(hào)源和負(fù)載，有了雙端口剛路的S參數(shù)，可以方便地計(jì)算放大器的穩(wěn)定系數(shù)K，穩(wěn)定性判據(jù)如下：

源極串聯(lián)反饋電感公式

其中△=|S11S22-S12S21|。當(dāng)K>1且△0時(shí)，放大器處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài);K1，電路則潛在不穩(wěn)定。由于AFT54143在工作頻段內(nèi)不是絕對(duì)穩(wěn)定的，為了提高放大器的穩(wěn)定性，在輸出端并聯(lián)一個(gè)100Ω的電阻。為確保ATF54143在盡可能寬的頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定，這里采取源極引入串聯(lián)感性反饋的方法，電感采用一段很細(xì)的微帶線來代替，晶體管接入串聯(lián)反饋電感后的等效電路如圖1所示。

晶體管接入串聯(lián)反饋電感后的等效電路

串聯(lián)反饋電感LS后，晶體管的輸入阻抗Zin可以表示為：

輸入阻抗Zin公式

當(dāng)wLs

輸入阻抗Zin公式

從公式(4)可以看出，在源極串聯(lián)電感后，可以增加晶體管雙端口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的實(shí)部，而虛部基本保持不變，使其逐漸與最佳噪聲匹配的阻抗重合;另一方面，增加一個(gè)無源元件不會(huì)使晶體管的噪聲性能惡化。接入源極負(fù)反饋后，對(duì)ATF54143進(jìn)行仿真。圖2即為晶體管穩(wěn)定性改善前后的仿真結(jié)果圖，(a)是末接入源極負(fù)反饋時(shí)，晶體管在小于3.5GHz的頻段內(nèi)都是不穩(wěn)定的;(b)是接入源極電感后，ATF54143在1.9GHz～2.1GHz頻段范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的?？梢姴捎迷礃O串聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)后，穩(wěn)定性因子K在所要求的頻率范圍內(nèi)大于1，滿足絕對(duì)穩(wěn)定的條件要求。

晶體管穩(wěn)定性改善前后的仿真結(jié)果圖

偏置電路的設(shè)計(jì)

直流偏置電路為放大器提供合適的電壓和電流，使得晶體管工作于要求的靜態(tài)工作點(diǎn)，并在晶體管參數(shù)和溫度變化的范圍內(nèi)，保持靜態(tài)工作點(diǎn)的恒定。根據(jù)器件特性選擇最佳條件，這里選取ATF54143的典型直流工作點(diǎn)參數(shù)：VDS=3V，ID=60mA;偏置的方式采用了電阻偏置，它有較好的溫度穩(wěn)定性。

結(jié)合上述偏置電路的設(shè)計(jì)原則和ATF54143的S參數(shù)數(shù)據(jù)，就可設(shè)計(jì)出如圖3所示的直流偏置電路。

直流偏置電路

其中Vdc是饋電電壓，其值選5V;Vds是ATF54143的漏源工作電壓，大小為3V;Idc是ATF54143靜態(tài)工作點(diǎn)所需的漏極電流，大小為60mA;IBB是流過R3、R4電阻分壓器的電流，它一般至少為門極漏電流的10倍，這里選為2mA;R2的計(jì)算則基于Vdc和Idc。由公式(5)、(6)、(7)可計(jì)算出R2=32.3Ω，R3=1200Ω，R4=300Ω。R5為高阻態(tài)電阻，這里選取R5值為12KΩ，取較大的阻值可以提高晶體管的效率。

晶體管的效率公式

輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

低噪聲放大器設(shè)計(jì)中，輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是在獲得噪聲系數(shù)、增益指標(biāo)的前提下，將晶體管的輸入阻抗、輸出阻抗分別變換到標(biāo)準(zhǔn)的50Ω。通常低噪聲放大器的最大增益和最佳噪聲系數(shù)不可能同時(shí)獲得，因此，在設(shè)計(jì)的過程中需要對(duì)增益和噪聲系數(shù)等指標(biāo)取折衷，以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。