一种接收前端三级低噪声放大器的设计

2010-08-18 09:03:45来源: 现代电子技术

  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。

公式

发射极电感负反馈结构

  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)。

公式

带有无源陷波滤波器的LNA

  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。

公式

  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:

公式

放大器的电路图

  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。

仿真结果

仿真结果

  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。

电路在频段内稳定度状况

  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。

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

  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。

关键字:CMOS  低噪声放大器  噪声系数  镜像抑制  镜像信号  陷波滤

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0818/article_2498.html
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