三级级联的低噪声放大器的设计

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　　0 引言
　　在现代雷达接收机中，应用最广的结构是超外差结构。在该结构中，单片系统往往需要片外滤波器去除镜像信号，例如SAW滤波器，因而给系统的集成度带来影响。为了达到一定的镜像抑制比，而又不使用片外滤波器，通常使用镜像抑制混频器能提供60 dB左右的抑制度。但现代雷达接收机至少需要80 dB的抑制度，这就给镜像抑制混频器的设计增加了难度。
　　为解决该问题，研究工作主要集中在镜像抑制LNA的设计上。从文献中，可以看到通过LNA与陷波滤波器(notch filter)的连接，其单片LNA的抑制度分别达到20 dB和75 dB。本文结合雷达接收机中LNA的指标，通过设计电路结构提高抑制度，与后级的镜像抑制混频器连接达到了较高的镜像抑制比，提高了整个雷达接收机对镜像信号的抑制度。
　　1 陷波滤波器
　　在本文中，对低噪声放大器的要求是工作频段为S频段，噪声系数FN为2～3 dB，功率增益在30 dB以上，输出1 dB压缩点不低于10dBm，工作电压为5 v。针对以上要求，采用的LNA基本结构为发射极电感负反馈。式(1)表明，选择适当的感值就能使端口得到匹配，最重要的是，这种结构在信号的通道上避免了噪声电阻，大大降低了噪声系数，如图1所示。
　　





　　




　　陷波滤波器分为有源和无源2种结构，为减少设计的复杂度，在镜像抑制LNA设计中，采用无源结构，如图2所示，其中包括了C1，C2和L1 3个无源元件(L1中寄生电阻值为RL1)。
　　




　　




　　2 LNA设计分析
　　LNA的性能很大程度上决定了雷达接收机的性能指标。为了满足设计指标中的功率增益，实际的LNA采用三级级联的方式设计。
　　




　　式中：Fn，GAn，(IIP3)n分别为LNA每级的噪声系数(这里n=1，2，3)，功率增益和三阶交调参数。
　　从式(6)、式(7)不难得出：
　　(1)降低模块的噪声系数，主要是降低前级电路的噪声系数;
　　(2)为了降低后续电路的噪声对整个模块的噪声影响，前级模块需要提供适当的增益;
　　(3)要提高模块的线性度，除了提高各级电路的线性度之外，各级的增益不能太高。
　　为了满足整个LNA的噪声要求，第一级放大器应主要面向优化噪声设计，以得到最小的噪声系数，整个系统的噪声系数基本取决于第一级的噪声系数。第二级放大器应在面向噪声优化的同时，提供一定的增益和线性度，以避免整个放大器的增益过低。第三级放大器主要面向线性度的优化，通过诸如增大发射极电感的大小和晶体管偏置电流等手段，可以有效地提高1 dB功率压缩点输出功率，但是增益会受到一定的影响。
　　基本放大器采用共源共栅结构，既可以增加输入/输出的隔离度，又降低了Ld1和M2间的Miller效应。同时，M1与M2之间接入电感Ld1，有助于改善放大器的增益和噪声情况。
　　在三级电路设计中，最复杂的是第三级电路。第三级放大器要满足1 dB功率压缩点输出不小于10 dBm的要求，因此主要是面向优化线性度设计。放大器的电路图如图3所示，放大器的输出功率三阶交调点可以由式(8)来估计：
　　



                          
                       
                          
                               

　　从式(8)中可以看出要提高放大器的线性度，可以通过提高放大管的Vce电压和集电极电流Ic。由于Vce不会很高，主要就是通过提高集电极电流Ic来提高放大器的线性度，但是一味地提高电流也会带来功耗的增加。
　　




　　增加发射极电感可以提高1 dB功率压缩点的输出功率，但是放大器的增益会随之降低，同时1 dB功率压缩点的输入会增大，加大对前一级放大器线性度的压力。所以发射极电感只能选择一个合适的感值，不能过大。
　　3 LNA仿真结果
　　仿真结果如图4、图5所示。
　　




　　



                          
                       
                          
                               

　　在镜像频率附近，增益由无陷波滤波器时的25 dB左右，降到-21.9 dB值附近，对进入LNA的镜像信号起到一定的抑制作用。表1表明电路在频段内稳定度状况，系数远大于1，电路绝对稳定。
　　另外，从式(5)可看出陷波滤波器的Q值受电感中的寄生电阻所限制。所以，在CMOS工艺中，电感的特性影响着LNA最后的性能。
　　通过表2可以看到LNA在有陷波滤波器和没有陷波滤波器两种情况下的仿真结果的对比。
　　




　　4 结语
　　为了达到单片雷达接收机对镜像抑制度的要求，采用CMOS O.18μm工艺设计了一个三级级联的镜像抑制LNA。通过在LNA中接入无源限波滤波器，实现对镜像信号的衰减，从而减小了后端混频器电路的设计难度。
　　最后在ADS中对设计的放大器进行仿真，其结果为，最大供电电压为5 V情况下，信号频段3.0～3.2 GHz，中频输出为225 MHz，功率增益≥31 dB，噪声系数≤O.5 dB，输入/输出1 dB点的功率分别为-19.5 dBm和11.5 dBm，对镜像信号的抑制度达22 dB。避免了使用片外滤波器，提高了系统的集成度。由于目前的CMOS工艺中，电感的品质依然有待提高。单片镜像抑制LNA要想达到更好的性能，还有待进一步研究。