基于GSM的寬帶低噪聲放大器電路設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　低噪聲放大器(LNA)是無線通信設(shè)備中的關(guān)鍵電路，位于接收設(shè)備的最前端，對(duì)從天線接收的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行放大，其噪聲性能和增益對(duì)整機(jī)性能有重要影響，因此，要求該電路在小于要求噪聲指標(biāo)的情況下，具有盡可能高的增益。一般情況下，最小噪聲系數(shù)和最大增益是不能同時(shí)達(dá)到的，它們的指標(biāo)主要由輸入匹配電路決定。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，一般都采取兼顧的原則。

　　在國內(nèi)GSM系統(tǒng)中，工作頻率覆蓋了l710MHz～1990MHz的范圍，如果使用窄帶LNA電路，只能用于一種體制，應(yīng)用受到一定限制。本文設(shè)計(jì)的寬帶LNA電路，其工作頻率覆蓋了上述頻率范圍，使接收機(jī)前端的LNA電路具有很大靈活性。

　　1 低噪聲放大電路的設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化

　　1.1 性能指標(biāo)和器件選擇

　　設(shè)計(jì)要求工作頻率為1700MHz～2000MHz，噪聲系數(shù)小于1.8dB，增益大于13dB，輸入電壓駐波比小于2.0，輸出電壓駐波比小于 3.5。

　　設(shè)計(jì)選用AGILENT公司的AT41486管。該器件為通用NPN雙極型硅管，具有低噪聲、高增益、頻率特性好等優(yōu)良特性。模型選用ADS自帶的 pb參數(shù)模型。

　　1.2 電路穩(wěn)定性

　　電路穩(wěn)定性既是放大電路的一個(gè)重要指標(biāo)，又是電路正常工作的先決條件。電路穩(wěn)定工作是最基本的要求，而任何射頻電路在某些頻段和某些終端條件下都有產(chǎn)生振蕩的可能性。造成電路不穩(wěn)定的因素很多，主要有管子的S參數(shù)、輸入輸出匹配電路以及選取的工作點(diǎn)等。穩(wěn)定性度量通常用穩(wěn)定因子K、B、△表示，他們是器件小信號(hào)S參數(shù)的函數(shù)。在使用ADS工具時(shí)，計(jì)算K和B兩個(gè)參數(shù)非常方便，因此，這里用它們來衡量電路的穩(wěn)定性。計(jì)算公式如下：

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　　只要K>l，|B|>0，電路就能穩(wěn)定工作

　　通過ADS對(duì)晶體管AT41486的穩(wěn)定因子進(jìn)行仿真，結(jié)果如表1所示。

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　　由表1可見，在1600MHz到2100MHz范圍內(nèi)，都滿足K>1和B>0的要求，說明晶體管在所工作的頻段是絕對(duì)穩(wěn)定的，不需要采取穩(wěn)定措施。

　　1.3 噪聲系數(shù)

　　射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)與每一級(jí)電路的噪聲系數(shù)F和除末級(jí)外的功率增益G有關(guān)。如果射頻系統(tǒng)包括N級(jí)電路，其中第i級(jí)的功率增益為Gi，噪聲系數(shù)為 Fi，則射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F可表示為：

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　　由式(5)可見，第一級(jí)的噪聲系數(shù)F1和增益G1對(duì)電路的整體噪聲指標(biāo)影響最大，而LNA恰為系統(tǒng)第一級(jí)，因此，它的設(shè)計(jì)非常重要，要求具有足夠小的噪聲系數(shù)，盡量高的增益。對(duì)于單級(jí)LNA電路來說，其噪聲系數(shù)可通過下面的式(6)計(jì)算，

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　　其中，分別表示晶體管的最小噪聲系數(shù)、獲得最小噪聲系數(shù)時(shí)的最佳源反射系數(shù)和晶體管的等效噪聲電阻，它們均由管子本身的特性決定，其數(shù)值如表2所示。為輸入端源反射系數(shù)。由式(6)可以看出，當(dāng)時(shí)，放大電路的噪聲系數(shù)F最小，等于Fmin。

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　　由于要兼顧放大電路的增益Ggain，因此，在滿足噪聲系數(shù)F要求的情況下，實(shí)際匹配可以適當(dāng)偏離，以取得更大的增益，滿足整體性能指標(biāo)。由表2可以看出，只要設(shè)計(jì)合理，在1700MHz～2000MHz范圍內(nèi)完全可以實(shí)現(xiàn)小于1.8dB的噪聲系數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，輸入匹配初始選，然后再根據(jù)其他指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。