增益可調(diào)的高性能低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    低噪聲放大器（Low-noise Amplifier，簡(jiǎn)稱LNA）是處于接收機(jī)最前端的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗及遙控遙測(cè)系統(tǒng)。它的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，提高接收信號(hào)靈敏度，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，其噪聲、線性和匹配等性能好壞直接影響到整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，本文著重對(duì)實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)和提高電路的線性度和穩(wěn)定性、降低噪聲系數(shù)及改善電路的輸入/ 輸出匹配特性的方法進(jìn)行了分析研究。 
　　目前，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)普遍采用CAD 的方法進(jìn)行仿真，相對(duì)而言，先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ADS）功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)明直觀，應(yīng)用范圍較廣，本文使用ADS軟件，通過(guò)線性或非線性的操作模式對(duì)放大器電路進(jìn)行模擬仿真。

　　接收機(jī)前端結(jié)構(gòu)

　　在設(shè)計(jì)接收機(jī)時(shí)，應(yīng)充分考慮它的容錯(cuò)性，一旦某器件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能正常工作，一般用冗余設(shè)計(jì)的方法來(lái)保證其高可靠性。

　　如圖1 所示，當(dāng)LNA 出現(xiàn)故障時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)的切換可以使輸入信號(hào)不經(jīng)過(guò)LNA 而直接輸出，保證系統(tǒng)仍然能正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用PIN 開(kāi)關(guān)二極管HSMP-4890 實(shí)現(xiàn)旁路控制，在LNA 斷電的情況下，信號(hào)旁路，且通過(guò)控制模塊告警。再則，L N A 采用平衡結(jié)構(gòu)，這樣，能保證輸入和輸出50 Ω阻抗匹配，并且比單級(jí)放大結(jié)構(gòu)的截取點(diǎn)高3 dB，這種冗余結(jié)構(gòu)也增強(qiáng)了系統(tǒng)工作的可靠性，一旦一路壞掉以后，LNA 仍能工作，只不過(guò)增益大概減小6 dB。控制模塊控制旁路開(kāi)關(guān)通斷，給LNA 提供電源，并且通過(guò)控制輸出端衰減達(dá)到調(diào)節(jié)增益的目的。



　　LNA 設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)：工作頻率825 MHz — 835 MHz；噪聲系數(shù)<1.8 dB；增益2 dB—12 dB，步進(jìn)1 dB；旁通時(shí)插入損耗≤ 2.5 dB；輸出三階交調(diào)截取點(diǎn)OIP3>20 dBm；輸出1 dB 壓縮點(diǎn)P>10 dBm；回波損耗≥ 18 dB；最大工作電流≤ 120 mA。

　　關(guān)鍵器件選擇

　　ATF-54143 是一款高增益、寬動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲的E-PHEMT（增強(qiáng)模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管），只需要一個(gè)  
正的電壓偏置，器件體積小，電路集成度高，特別適用于450 MHz — 6 GHz 頻段的通信系統(tǒng)。而且根據(jù)器件性能，在漏電流IDS為60 mA時(shí)能得到最高的三階截取點(diǎn)（IP3）和最低噪聲系數(shù)（NF），在漏電壓VDS為3 V 時(shí)，有較高的增益。同時(shí)選擇Xinger 1D1304-3，它是一款3dB，90度混合耦合器，具有在800 MHz — 1200 MHz 頻帶內(nèi)插入損耗小，高隔離度等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于平衡結(jié)構(gòu)的LNA設(shè)計(jì)。

　　考慮增益可調(diào)這部分，采用5 bit 數(shù)控衰減器HMC273（0.7 GHz — 3.7 GHz，1dB —31 dB 衰減范圍），只要控制低4 bit的輸入高低電平就能達(dá)到0 dB— 15 dB 衰減范圍，滿足了增益步進(jìn)要求。

　　LNA 電路的設(shè)計(jì)

　　通常，在設(shè)計(jì)LNA 時(shí)主要考慮低噪聲系數(shù)（NF），足夠的增益和絕對(duì)穩(wěn)定性，但在實(shí)際應(yīng)用中，高截取點(diǎn)、供電電壓和低電流損耗也需要考慮。

　　直流偏置電路的設(shè)計(jì)

　　首先，以ATF-54143 的柵極電壓VDS 作為掃描參數(shù)對(duì)元件的靜態(tài)工作點(diǎn)（漏極電流IDS 和漏極電壓VDS）進(jìn)行仿真。圖2 和圖3 分別為仿真圖和電路原理圖。再根據(jù)選定的VDS（3 V），IDS（60 mA），VGS（0.56 V）, 用公式（1）（2）（3）計(jì)算各偏置電阻值。





　　式中，IBB=2 mA 是設(shè)定流經(jīng)R1 和R2 電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的電流，Vdd=5 V 是供電電壓，經(jīng)計(jì)算得出各偏置電阻值：R1=280 Ω，R2=1220 Ω，網(wǎng)R3=33 Ω。

　　穩(wěn)定電路的設(shè)計(jì)

　　電路不穩(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。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，通?？梢杂蒖ollett穩(wěn)定因子來(lái)表示。絕對(duì)穩(wěn)定的條件是：



　　改進(jìn)方法之一是可以在晶體管的源端對(duì)地加上一小段微帶線，相當(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋，可以改善輸入回波損耗和低頻穩(wěn)定度，提高線性度；同時(shí)在放大電路的輸出端可以加上π型阻性衰減器，對(duì)改善穩(wěn)定性也很有效。

　　仿真證明，在源端作上述設(shè)計(jì)后K 值將在帶內(nèi)大于1 。但要注意，在放大管源極添加傳輸線來(lái)穩(wěn)定的方法是以犧牲放大器其他性能為代價(jià)的，同時(shí)過(guò)長(zhǎng)的傳輸線增加了電路自激的可能性。為了尋求平衡，在實(shí)際設(shè)計(jì)PCB 時(shí)，將源端微帶線預(yù)留足夠的長(zhǎng)度，調(diào)試時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整其接地的長(zhǎng)度，再將多余的帶線切斷除去。

匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

　　輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計(jì)，為接近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設(shè)計(jì)。由于本設(shè)計(jì)對(duì)LNA 增益的要求不是太高，所以設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)首先考慮噪聲系數(shù)。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由元件的最佳噪聲反射系數(shù)Topt為主來(lái)決定，以求得噪聲系數(shù)NF 降到最小，根據(jù)S 參量仿真得到的最佳噪聲系數(shù)匹配條件，利用ADS 提供的Smith 圓圖工具可以很方便地進(jìn)行輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。


　　可得出輸入高通網(wǎng)絡(luò)L1 為12 nH，C1 為5.6 pF，輸出高通匹配網(wǎng)絡(luò)L4為15 nH ,C4為3 pF 。

　　ADS 仿真

　　線性仿真

　　線性分析時(shí)可以用Touchstone 格式的兩端口S參量對(duì)晶體管進(jìn)行建模，用基于4端口的Touchstone線性S 參數(shù)文件對(duì)混合耦合器建模，在此引用ATF-54143 的S2p 文件和1D1304-3 的S4p 文件。為了得到更切合實(shí)際的結(jié)果，傳輸線部分也采用ADS 庫(kù)中的微帶線模型。在對(duì)平衡結(jié)構(gòu)LNA 的Sparams_wNoise仿真時(shí)，主要是調(diào)節(jié)微帶線的長(zhǎng)度，以得到最佳匹配結(jié)果，本次板材采用介電常數(shù)為2.55 的聚四氟乙烯，介質(zhì)厚0.8 mm，微帶線高18 μm，微帶線寬度用ADS 的LineCalc 工具計(jì)算，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出結(jié)果如圖4 所示。



　　非線性仿真

　　諧波平衡（HB）仿真可用于得出1 dB 壓縮點(diǎn)P 和輸出三階截取點(diǎn)（OIP3）等非線性參數(shù)，兩者仿真設(shè)置的主要區(qū)別在于信號(hào)源的不同，前者信號(hào)源是P_1Tone，后者是P_nTone 提供調(diào)諧頻率信號(hào)，相應(yīng)H B 仿真的設(shè)置也有不同。

　　仿真得到的P-1 dB為16.5 dBm，OIP3為32.2 dBm，結(jié)果比較理想，見(jiàn)圖5 所示。



　　PCB 制板

　　用DC-DC 轉(zhuǎn)換芯片將外部輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V，給晶體管提供偏置電壓。數(shù)控衰減器HMC273 放置在放大耦合輸出的近端，也需要5 V 電源供電，5管腳16 dB 衰減控制口直接置高電平，1 — 4 管腳連接外部輸入口；遠(yuǎn)端放置π型阻性電路，可用于調(diào)節(jié)增益和增加電路穩(wěn)定性。旁路與放大電路在輸出端用PIN 開(kāi)關(guān)二極管HSMP-4890 連接，起隔離的作用，保證旁路插入損耗小。旁路和耦合器輸入端帶線均為1/4 波長(zhǎng)，以保證相位匹配，使回波損耗最小。

 

　　繪制P C B 電路板時(shí)還須注意以下幾個(gè)方面：

　?。?）根據(jù)信號(hào)頻率，板材參數(shù)計(jì)算微帶線寬度，為了彌補(bǔ)實(shí)際和仿真的差別，一般不將阻抗值嚴(yán)格地設(shè)為50 Ω計(jì)算，而是偏高1 Ω— 2 Ω，調(diào)試中通過(guò)改變接地電容的量值和位置就可以得到較寬的電路參數(shù)調(diào)整范圍。

　?。?）預(yù)留出可調(diào)的電容位置，關(guān)鍵是放大器輸入輸出端。

　?。?）為了避免干擾，射頻微帶線之間以及普通信號(hào)線（控制HMC273 ）均避免鄰接，中間必須用地隔開(kāi)。

　?。?）在射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)的帶線范圍內(nèi)，底層電源線也盡量避免經(jīng)過(guò)，可選擇耦合器中部穿過(guò)，以免改變阻抗，影響性能。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的平衡結(jié)構(gòu)LNA 和利用開(kāi)關(guān)二極管控制旁路提高了工作可靠性，并且用簡(jiǎn)單靈活的方法實(shí)現(xiàn)了增益可調(diào)。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)際測(cè)得的LNA 技術(shù)指標(biāo)能夠與仿真結(jié)果較好地吻合，E -pHEMT 管的低噪聲系數(shù)和高OIP3 使它在高動(dòng)態(tài)范圍電路設(shè)計(jì)上具有很大的優(yōu)勢(shì)。