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一种接纳前端三级低噪声放大器的设计

作者:admin 发布时间:2019-07-11 10:42

  在现代雷达接纳机中,应用最广的构造是超外差构造。在该构造中,单片系统常常需求片外滤波器去除镜像信号,例如SAW滤波器,因此给系统的集成度带来影响。为了到达一定的镜像抑止比,而又不运用片外滤波器,通常运用镜像抑止混频器能提供60dB左右的抑止度。但现代雷达接纳机至少需求80dB的抑止度,这就给镜像抑止混频器的设计增加了难度。
  为处理该问题,研讨工作主要集中在镜像抑止LNA的设计上。从文献中,能够看到经过LNA与陷波滤波器(notchfilter)的衔接,其单片LNA的抑止度分别到达20dB和75dB。本文分离雷达接纳机中LNA的指标,经过设计电路构造进步抑止度,与后级的镜像抑止混频器衔接到达了较高的镜像抑止比,进步了整个雷达接纳机对镜像信号的抑止度。
放大器的设计
  1陷波滤波器
  在本文中,对低噪声放大器的请求是工作频段为S频段,噪声系数FN为2~3dB,功率增益在30dB以上,输出1dB紧缩点不低于10dBm,工作电压为5v。针对以上请求,采用的LNA根本构造为发射极电感负反应。式(1)标明,选择恰当的感值就能使端口得到匹配,最重要的是,这种构造在信号的通道上防止了噪声电阻,大大降低了噪声系数,如图1所示。
  公式
  发射极电感负反应构造
  陷波滤波器分为有源和无源2种构造,为减少设计的复杂度,在镜像抑止LNA设计中,采用无源构造,如图2所示,其中包括了C1,C2和L13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
  2LNA设计剖析
  LNA的性能很大水平上决议了雷达接纳机的性能指标。为了满足设计指标中的功率增益,实践的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,前级模块需求提供恰当的增益;
  (3)要进步模块的线性度,除了进步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的噪声请求,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根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,以防止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,经过诸如增大发射极电感的大小和晶体管偏置电流等手腕,能够有效地进步1dB功率紧缩点输出功率,但是增益会遭到一定的影响。
  根本放大器采用共源共栅构造,既能够增加输入/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状况。
  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1dB功率紧缩点输出不小于10dBm的请求,因而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能够由式(8)来估量:
  公式
  放大器的电路图
  从式(8)中能够看出要进步放大器的线性度,能够经过进步放大管的Vce电压和集电极电流Ic。由于Vce不会很高,主要就是经过进步集电极电流Ic来进步放大器的线性度,但是一味地进步电流也会带来功耗的增加。
  增加发射极电感能够进步1dB功率紧缩点的输出功率,但是放大器的增益会随之降低,同时1dB功率紧缩点的输入会增大,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适宜的感值,不能过大。
  3LNA仿真结果
  仿真结果
  仿真结果
  在镜像频率左近,增益由无陷波滤波器时的25dB左右,降到-21.9dB值左近,对进入LNA的镜像信号起到一定的抑止作用。表1标明电路在频段内稳定度情况,系数远大于1,电路绝对稳定。
  电路在频段内稳定度情况
  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。
  经过表2能够看到LNA在有陷波滤波器和没有陷波滤波器两种状况下的仿真结果的比照。
  LNA在有陷波滤波器和没有陷波滤波器两种状况下的仿真结果
  4结语
  为了到达单片雷达接纳机对镜像抑止度的请求,采用CMOSO.18μm工艺设计了一个三级级联的镜像抑止LNA。经过在LNA中接入无源限波滤波器,完成对镜像信号的衰减,从而减小了后端混频器电路的设计难度。
  最后在ADS中对设计的放大器停止仿真,其结果为,最大供电电压为5V状况下,信号频段3.0~3.2GHz,中频输出为225MHz,功率增益≥31dB,噪声系数≤O.5dB,输入/输出1dB点的功率分别为-19.5dBm和11.5dBm,对镜像信号的抑止度达22dB。防止了运用片外滤波器,进步了系统的集成度。由于目前的CMOS工艺中,电感的质量仍然有待进步。单片镜像抑止LNA要想到达更好的性能,还有待进一步研讨。