基于E-PHEMT的LNA電路的設(shè)計(jì)

引言

lna在今天的通信系統(tǒng)中多用在接收機(jī)前端的第一級(jí)。它的主要功能是在不添加額外噪聲的情況下盡量放大輸入小信號(hào)，從而在低功率點(diǎn)上保證所需的信噪比。另外，對(duì)于大信號(hào)，lna應(yīng)該盡量做到在不失真的情況下放大輸入信號(hào)，因而消除信道串?dāng)_。合適的lna設(shè)計(jì)在當(dāng)今的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要地位。鑒于眼下數(shù)字通信信號(hào)的復(fù)雜性，在lna的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要處理和解決更多的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

一份較好的lna設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮到諸多因素：高增益，低噪聲系數(shù)，良好的輸入輸出匹配，穩(wěn)定性，線性要求。這些因素同樣重要，而且相互之間并不完全獨(dú)立。低的噪聲系數(shù)和最佳的輸入匹配在沒(méi)有巧妙地反饋回路下幾乎不可能同時(shí)獲得。絕對(duì)穩(wěn)定在很多情況下需要犧牲一部分增益作為補(bǔ)償。高的ip3需要高電流，而最小噪聲系數(shù)通常要求較低的電流。通過(guò)一些辦法可以在低電流情況下獲得較好的ip3。

avagoe-phemt管atf54143的 性能

avago公司的atf54143 e-phemt見(jiàn)圖1、圖2，具有高增益，高線性度和低噪聲的特性，這使得atf54143適用于頻率范圍在450mhz~6ghz無(wú)線系統(tǒng)的各種lna電路中。

與典型的d-phemt不同，atf45143并不需要在門級(jí)上加負(fù)電壓偏置， 而是在門級(jí)加正電壓偏置。因此，atf54143的偏置電路更像是雙極型晶體管的偏置電路。但是與一般的雙極型晶體管不同，它的偏置電壓不是0.7v，而是工作在大約0.6v。

穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是lna的設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，絕對(duì)穩(wěn)定是設(shè)計(jì)者所追求的目標(biāo)。絕對(duì)穩(wěn)定意味著對(duì)于任何源端和負(fù)載端的阻抗，電路都不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。而不穩(wěn)定主要由3個(gè)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。2個(gè)常用的穩(wěn)定性因子可以用來(lái)表示lna的穩(wěn)定性： 和k，其中 應(yīng)該首先被計(jì)算出來(lái)，它是計(jì)算k的基礎(chǔ)：

對(duì)于上面的2個(gè)因子，必須同時(shí)滿足 <1，k>1，電路才能稱為絕對(duì)穩(wěn)定，否則將存在潛在的不穩(wěn)定性。一個(gè)更實(shí)用的檢測(cè)因子是 ，判斷準(zhǔn)則是：

需要說(shuō)明的是還存在 2，但是在 1>1時(shí)， 2也必然大于1，因此設(shè)計(jì)者只需要考慮穩(wěn)定性判定因子1。

對(duì)于非絕對(duì)穩(wěn)定的電路，可以在其輸出、輸入端添加電阻或是在放大管的源極對(duì)地之間添加一段很短的傳輸線來(lái)增加穩(wěn)定性。然而，這些附加的元件會(huì)犧牲lna電路的其他性能。

匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)著眼于如何在噪聲系數(shù)盡量小的條件下把晶體管的輸入端匹配到50 輸入阻抗。通常情況，最大增益和最小噪聲系數(shù)不能同時(shí)達(dá)到，這就需要在兩者間采取折衷的方案。一般datasheet上會(huì)給出放大管的 opt ，相應(yīng)在smith圓上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于最小噪聲系數(shù)。通常的做法是在 opt和等增益圓之間任取一個(gè)方便計(jì)算處理的點(diǎn)，位置記作 s，進(jìn)而可以得到晶體管輸入端的zs，利用ads軟件提供的smith圓圖工具就可以方便的進(jìn)行輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算。有了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)就可以方便地進(jìn)行，又通過(guò)下面的公式：

與計(jì)算輸入匹配網(wǎng)絡(luò)相似，同樣可以利用smith圓來(lái)計(jì)算輸出匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

線性性能的改進(jìn)

為了改善電路的線性性能，需要提高電路的ip3，如果提高電路的輸出電流，就會(huì)影響電路的其他性能。所以需要采用別的辦法來(lái)穩(wěn)定電路的線性性能。

ip3點(diǎn)是通過(guò)在電路的輸入端輸入兩個(gè)等幅并且有小的頻率偏移信號(hào)而形成的。當(dāng)電路接近非線性區(qū)域時(shí)，兩個(gè)載波將會(huì)產(chǎn)生失真產(chǎn)物，如圖3所示。

完整電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的目標(biāo)是一個(gè)高性能的工作在1.9ghz頻點(diǎn)的lna射頻電路。該電路設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題是需要選取合適的直流工作點(diǎn)。這里選取atf54143的典型直流工作點(diǎn)參數(shù)：v_{dd}=3v，l_{ds}=60ma 。從數(shù)據(jù)手冊(cè)上則可以得到相應(yīng)直流工作點(diǎn)的s-參數(shù)。結(jié)合上述設(shè)計(jì)原則以及s參數(shù)數(shù)據(jù)，就可以設(shè)計(jì)出如圖4所示的lna電路。

vdd是饋電電壓，這里選取饋電電壓為5v；

vds是器件的漏極到源極的電壓，為3v；

ids是所需的漏極電流,為60ma；

ibb是流過(guò)r1、r2電阻分壓器的電流，它一般至少為門極漏電電流的10倍，這里選取為2ma。

這樣通過(guò)上述參數(shù)，即可計(jì)算出r3≈32.3 。

r3旁邊的電容c6即是用來(lái)增加線性度的，這里取10,000pf，滿足了以上論述的要求。

考慮到需要在門極加上0.6v的正向偏置電壓，則可計(jì)算出r1和r2的值。

r2=frac{vds v_{gs}}{i_{bb}}=frac{3 0.6}{0.002}=1200
r5呈高阻態(tài)，用來(lái)抑制門極電流，從而提高了e-phemt的效率，從而選取r5為12k 。

c1、l1為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，c4、l4為輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，c2、c5為相應(yīng)的旁路電容。這里輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)可以利用上述ads中smith圓圖工具來(lái)得到。從而得到c1=c4=8.2pf，l1=2.7nh，l4=5.6nh。

只有以上的元件是無(wú)法滿足穩(wěn)定性的要求，在ads下仿真得到的穩(wěn)定性因子曲線圖如圖5所示。

從圖7中可以看出，穩(wěn)定性因子在很寬的頻段內(nèi)均大于1，即在lna電路在這些頻段達(dá)到了絕對(duì)穩(wěn)定。

通過(guò)上述分析，可以設(shè)計(jì)出lna電路的pcb版圖和實(shí)物圖，如圖8，圖9所示。

實(shí)際性能測(cè)試

測(cè)試儀器是agilent公司的網(wǎng)絡(luò)分析儀agilent8722es，分析范圍涵蓋了50mhz到40ghz的頻段，因此可以用來(lái)測(cè)試工作在1.9ghz頻點(diǎn)的lna電路的性能。

結(jié)束語(yǔ)

本文基于 e-phemt放大管討論了lna電路的設(shè)計(jì)方法，從中可以看到使用avago公司的atf54143可以比較輕松滿足設(shè)計(jì)者追求的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)者通過(guò)ads仿真和以上所討論的設(shè)計(jì)原則就可以得到性能滿意的lna電路。