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射頻前端低噪聲放大器(LNA)電路是無線電設(shè)備前端電路設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。由于實(shí)際的無線電傳播環(huán)境通常較為惡劣，因此，其射頻前端電路中必須考慮采用LNA。LNA作為射頻模塊中的關(guān)鍵電路，其噪聲大小直接影響著接收機(jī)的性能。另一方面，LNA的設(shè)計(jì)也是無線電設(shè)備相關(guān)電路設(shè)計(jì)中最具有挑戰(zhàn)性的內(nèi)容之一。這主要表現(xiàn)在它同時(shí)需要滿足高增益、低噪聲、良好的輸入輸出匹配和在盡可能小的工作電流時(shí)的無條件穩(wěn)定性。 作為移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)之一的CDMA2000，是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛的重視。事實(shí)上，LNA電路的設(shè)計(jì)是這一標(biāo)準(zhǔn)下基站電路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一。同時(shí)，由于移動(dòng)通信設(shè)備應(yīng)用場合以及CDMA2000多址方式的特殊性，抑制干擾/噪聲、提升增益并保持其穩(wěn)定性，是相關(guān)電路設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)。因此，可以結(jié)合CDMA2000基站LNA電路的設(shè)計(jì)問題，探討一般情形下射頻LNA電路設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵問題及其解決途徑。這同時(shí)也為一般性問題的討論提供了實(shí)際應(yīng)用的背景。 射頻LNA電路設(shè)計(jì)中的若干問題 低噪聲放大電路的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)同時(shí)應(yīng)著眼于低噪聲和高增益兩方面的要求。在高增益的情形下，從其性能的可靠性出發(fā)，必須兼顧電路的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中對(duì)這些因素的綜合考慮和折中處理，首先對(duì)有關(guān)問題逐一加以討論。 噪聲問題及其處理辦法 導(dǎo)致放大電路噪聲特性變差的主要噪聲來源包括閃爍噪聲、熱噪聲和散彈噪聲。其中，閃爍噪聲又稱為1/f噪聲，其取值與半導(dǎo)體材料有關(guān)，功率譜密度與頻率成反比。因此，在射頻情況下可以不予過多考慮。熱噪聲是電子熱運(yùn)動(dòng)所引入的噪聲，主要受控于環(huán)境溫度，與電流無關(guān)。在射頻情形下，這一噪聲受外場頻率升高的作用，其量值將隨頻率的升高而明顯增大。散彈噪聲不直接受溫度的影響。散彈噪聲的大小正比于工作電流。綜上所述，射頻低噪聲放大電路中作為對(duì)噪聲的抑制，主要應(yīng)考慮對(duì)熱噪聲和散彈噪聲的抑制。 一般地，噪聲問題可以通過選擇低噪聲器件、降低電路插損、改善線性度，以及降低電路功耗等方式加以有效解決。注意，包括低噪聲器件的選擇在內(nèi)，上述方法大都與電路的具體設(shè)計(jì)有關(guān)。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)相關(guān)指標(biāo)要求，靈活應(yīng)用上述處理方法。 增益問題及其處理辦法 為了實(shí)現(xiàn)電路的高增益(一般都在幾十dB) ，通常需要采用多級(jí)放大電路，如圖1中所示的兩級(jí)放大電路。這一處理方法在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。 為了兼顧對(duì)噪聲問題的考慮，應(yīng)對(duì)多級(jí)放大電路的噪聲和增益加以統(tǒng)一考慮。對(duì)m級(jí)放大器，其總噪聲系數(shù)由各單級(jí)電路的噪聲系數(shù)NF和增益Av決定，即 由于各單級(jí)放大電路的放大倍數(shù)一般都遠(yuǎn)大于1，顯然，多級(jí)放大電路總的噪聲系數(shù)主要由前級(jí)電路決定，最前級(jí)電路的噪聲大小成為影響整個(gè)電路的主要因素。為此，應(yīng)當(dāng)通過選擇低噪聲器件等方式，使前級(jí)電路的噪聲得到抑制。同時(shí)，折中考慮放大級(jí)數(shù)、單級(jí)放大倍數(shù)等的選擇。 為了獲得LNA電路最大增益輸出，輸入輸出必須阻抗匹配。對(duì)實(shí)際的LNA放大電路，其輸入輸出阻抗一般都設(shè)計(jì)為508。從噪聲的角度看，可以通過天饋端與LNA電路輸入端之間的共軛匹配來實(shí)現(xiàn)能量的最佳傳輸。 穩(wěn)定問題及其處理辦法 電路的穩(wěn)定性也是LNA電路必須考慮的，特別是在放大器的設(shè)計(jì)中，必須保證放大器的穩(wěn)定性，以避免可能出現(xiàn)的自激，穩(wěn)定性判據(jù)如下： 定義 如果K>1且|△|1，則電路存在潛在的不穩(wěn)定性。對(duì)于某些信號(hào)源或負(fù)載阻抗會(huì)出現(xiàn)自激現(xiàn)象，這種情況并不意味著電路不能工作，但需慎重選擇信號(hào)源和負(fù)載阻抗。所以，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須測量相關(guān)元件的S參數(shù)。改善電路的穩(wěn)定性通常可采用四種阻抗連接，其連接方式如圖2所示。圖2(b) 電路是在電路的輸入端接上一個(gè)轉(zhuǎn)移電阻來改善穩(wěn)定性。ADS仿真改善前和改善后的kF特性如圖3所示(其中，k代表穩(wěn)定系數(shù))。 從圖3可以看出，當(dāng)不接入電阻時(shí)，晶體管在0.55GHz到1.4GHz都是不穩(wěn)定的(K1)。可見，電阻的接入改善和提高了電路的穩(wěn)定性。 當(dāng)所選晶體管電路是穩(wěn)定電路之后，通常就可以利用S參數(shù)設(shè)計(jì)電路的最小噪聲和增益。 對(duì)上述問題的折中處理 上述問題在實(shí)際設(shè)計(jì)中是彼此關(guān)聯(lián)的，因此，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)綜合考慮，靈活應(yīng)用各種方式，實(shí)現(xiàn)整體性能的最佳，注意做好諸如噪聲、增益、線性、功耗等的折中，從而較好地滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。為此，我們結(jié)合CDMA2000基站中射頻前端低噪聲放大器的設(shè)計(jì)問題，探討上述方法的綜合應(yīng)用。 CDMA2000基站射頻LNA電路的設(shè)計(jì) 按照以上原則，設(shè)計(jì)了用于CDMA2000基站射頻前端的LNA電路，該電路主要性能指標(biāo)如表1所示。所設(shè)計(jì)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。 低噪聲放大器由兩級(jí)放大器組成。由于Agilent公司的ATF-34143有著優(yōu)異的低噪聲性能，故選用它組成第一級(jí)放大器，為了保證輸入級(jí)的駐波要求和提高動(dòng)態(tài)范圍，采用平衡電路。綜合考慮功耗、增益、噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性等各方面指標(biāo)，采用正負(fù)電源為ATF-34143供電。第二級(jí)選用SirenzA公司的SGA-6489微波單片放大器，它具有寬頻帶、高增益的特性。 圖5是第一級(jí)放大器的ADS仿真結(jié)果。從圖5可以看到，在830MHz時(shí)，第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)為0.305dB，增益為18.8 dB，穩(wěn)定系數(shù)K為1.21，符合預(yù)定要求。用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真，得到第二級(jí)放大器的增益和穩(wěn)定度特性，如圖6 所示。在831MHz時(shí)，其增益為19dB，穩(wěn)定系數(shù)為1.13。 為了提高第一、二級(jí)放大器之間的駐波性能和第二級(jí)放大器的穩(wěn)定性，在第一、第二級(jí)放大器之間增加了1dB的固定型衰減器。 在平衡放大器后，使用了M/A-COM公司的數(shù)字衰減器AT-226。該器件單電源供電，步進(jìn)衰減量1dB，最大可衰減量15dB，可工作于0.5～2GHz之間，具有優(yōu)良的寬頻性能。在數(shù)字衰減器后，還采用一個(gè)溫度補(bǔ)償衰減器，用來補(bǔ)償由于穩(wěn)定變化引起的放大器增益波動(dòng)。圖7是用Cascade得到的通道特性。 結(jié) 論 對(duì)于RFLNA電路，由于其位置上的特殊性(靠近天線) ，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證通頻帶內(nèi)電路的高穩(wěn)定性、低噪聲和高增益，這三個(gè)指標(biāo)是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。本文對(duì)LNA電路中所涉及的主要問題進(jìn)行了探討，并提出了解決方法，結(jié)合實(shí)際LNA電路的設(shè)計(jì)，較好地驗(yàn)證了方法的可行性。從上面的仿真結(jié)果表明，我們的設(shè)計(jì)較好地滿足了相關(guān)指標(biāo)的要求。因此，本文提出的CDMA射頻LNA電路設(shè)計(jì)方法是切實(shí)可行的，對(duì)相關(guān)LNA電路的設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。 |
