工程師：基于接收前端三級(jí)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(hào)，例如SAW濾波器，因而給系統(tǒng)的集成度帶來(lái)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。

為解決該問(wèn)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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)提高抑制度，與后級(jí)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(duì)鏡像信號(hào)的抑制度。

陷波濾波器

在本文中，對(duì)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(duì)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(hào)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(wú)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(wú)源結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中包括了C1，C2和L1 3個(gè)無(wú)源元件(L1中寄生電阻值為RL1)。

LNA設(shè)計(jì)分析

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(jí)級(jí)聯(lián)的方式設(shè)計(jì)。

式中：Fn，GAn，(IIP3)n分別為L(zhǎng)NA每級(jí)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(jí)電路的噪聲系數(shù);

(2)為了降低后續(xù)電路的噪聲對(duì)整個(gè)模塊的噪聲影響，前級(jí)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(jí)電路的線性度之外，各級(jí)的增益不能太高。

為了滿足整個(gè)LNA的噪聲要求，第一級(jí)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(jí)的噪聲系數(shù)。第二級(jí)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(guò)低。第三級(jí)放大器主要面向線性度的優(yōu)化，通過(guò)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(jí)電路設(shè)計(jì)中，最復(fù)雜的是第三級(jí)電路。第三級(jí)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(lái)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(guò)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(guò)提高集電極電流Ic來(lái)提高放大器的線性度，但是一味地提高電流也會(huì)帶來(lái)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(duì)前一級(jí)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(guò)大。LNA仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

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