工程師:基于接收前端三級低噪聲放大器的設(shè)計(jì)
在現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)中,應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)是超外差結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中,單片系統(tǒng)往往需要片外濾波器去除鏡像信號,例如SAW濾波器,因而給系統(tǒng)的集成度帶來影響。為了達(dá)到一定的鏡像抑制比,而又不使用片外濾波器,通常使用鏡像抑制混頻器能提供60 dB左右的抑制度。但現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)至少需要80 dB的抑制度,這就給鏡像抑制混頻器的設(shè)計(jì)增加了難度。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/227195.htm為解決該問題,研究工作主要集中在鏡像抑制LNA的設(shè)計(jì)上。從文獻(xiàn)中,可以看到通過LNA與陷波濾波器(notch filter)的連接,其單片LNA的抑制度分別達(dá)到20 dB和75 dB。本文結(jié)合雷達(dá)接收機(jī)中LNA的指標(biāo),通過設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)提高抑制度,與后級的鏡像抑制混頻器連接達(dá)到了較高的鏡像抑制比,提高了整個(gè)雷達(dá)接收機(jī)對鏡像信號的抑制度。
陷波濾波器
在本文中,對低噪聲放大器的要求是工作頻段為S頻段,噪聲系數(shù)FN為2~3 dB,功率增益在30 dB以上,輸出1 dB壓縮點(diǎn)不低于10dBm,工作電壓為5 v。針對以上要求,采用的LNA基本結(jié)構(gòu)為發(fā)射極電感負(fù)反饋。式(1)表明,選擇適當(dāng)?shù)母兄稻湍苁苟丝诘玫狡ヅ?,最重要的是,這種結(jié)構(gòu)在信號的通道上避免了噪聲電阻,大大降低了噪聲系數(shù),如圖1所示。
陷波濾波器分為有源和無源2種結(jié)構(gòu),為減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,在鏡像抑制LNA設(shè)計(jì)中,采用無源結(jié)構(gòu),如圖2所示,其中包括了C1,C2和L1 3個(gè)無源元件(L1中寄生電阻值為RL1)。
LNA的性能很大程度上決定了雷達(dá)接收機(jī)的性能指標(biāo)。為了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中的功率增益,實(shí)際的LNA采用三級級聯(lián)的方式設(shè)計(jì)。
式中:Fn,GAn,(IIP3)n分別為LNA每級的噪聲系數(shù)(這里n=1,2,3),功率增益和三階交調(diào)參數(shù)。
從式(6)、式(7)不難得出:
(1)降低模塊的噪聲系數(shù),主要是降低前級電路的噪聲系數(shù);
(2)為了降低后續(xù)電路的噪聲對整個(gè)模塊的噪聲影響,前級模塊需要提供適當(dāng)?shù)脑鲆?
(3)要提高模塊的線性度,除了提高各級電路的線性度之外,各級的增益不能太高。
為了滿足整個(gè)LNA的噪聲要求,第一級放大器應(yīng)主要面向優(yōu)化噪聲設(shè)計(jì),以得到最小的噪聲系數(shù),整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)基本取決于第一級的噪聲系數(shù)。第二級放大器應(yīng)在面向噪聲優(yōu)化的同時(shí),提供一定的增益和線性度,以避免整個(gè)放大器的增益過低。第三級放大器主要面向線性度的優(yōu)化,通過諸如增大發(fā)射極電感的大小和晶體管偏置電流等手段,可以有效地提高1 dB功率壓縮點(diǎn)輸出功率,但是增益會(huì)受到一定的影響。
基本放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu),既可以增加輸入/輸出的隔離度,又降低了Ld1和M2間的Miller效應(yīng)。同時(shí),M1與M2之間接入電感Ld1,有助于改善放大器的增益和噪聲情況。
在三級電路設(shè)計(jì)中,最復(fù)雜的是第三級電路。第三級放大器要滿足1 dB功率壓縮點(diǎn)輸出不小于10 dBm的要求,因此主要是面向優(yōu)化線性度設(shè)計(jì)。放大器的電路圖如圖3所示,放大器的輸出功率三階交調(diào)點(diǎn)可以由式(8)來估計(jì):
從式(8)中可以看出要提高放大器的線性度,可以通過提高放大管的Vce電壓和集電極電流Ic。由于Vce不會(huì)很高,主要就是通過提高集電極電流Ic來提高放大器的線性度,但是一味地提高電流也會(huì)帶來功耗的增加。
增加發(fā)射極電感可以提高1 dB功率壓縮點(diǎn)的輸出功率,但是放大器的增益會(huì)隨之降低,同時(shí)1 dB功率壓縮點(diǎn)的輸入會(huì)增大,加大對前一級放大器線性度的壓力。所以發(fā)射極電感只能選擇一個(gè)合適的感值,不能過大。LNA仿真結(jié)果
仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。
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