一种接收前端三级低噪声放大器的设计.doc

电源招聘专家一种接收前端三级低噪声放大器的设计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23 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。 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)。 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。 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栅结构，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： 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。 在镜像频率附近，增益由无陷波滤波器时的25 dB左右，降到-219 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。 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。 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 O18m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3032 GHz，中频输出为225 MHz，功率增益31 dB，噪声系数O5 dB，输入输出1 dB点的功率分别为-195 dBm和1