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低噪声放大器(LNA)是很多射频、微波系统的第一级模块,它的性能好坏直接影响整个通信系统的性能。随着无线通信技术的广泛应用,数据传输速率越来越大,要求频带越来越宽,因此超宽带技术(UWB)应运而生。本论文研究的重点是超宽带低噪声放大器的设计,论文从器件的选取、工作点的选择、电路结构的设计等方面探讨了宽带低噪声放大器的设计方法,并给出了三款放大器的设计实例。
本文首先提出了一款3-10GHz单级UWB LNA并进行了设计。选用高频低噪声的SiGe HBT作为有源器件,为了便于实现,选用简单易行的电阻负反馈结构设计LNA。同时采用发射极串联负反馈和集电极并联负反馈,使LNA达到高增益、低噪声系数以及良好的输入输出匹配。仿真结果表明,在工作频带内,LNA的单级增益S21达到11.8dB,增益平坦度小于2dB,噪声系数小于4dB,S11和S22分别小于-5dB和-10dB,且放大器无条件稳定。单级LNA基本达到实际应用的性能指标。
为了使LNA达到更好的性能,接下来设计了一款两级SiGe HBTs UWBLNA。为了达到高增益,LNA采用两级级联结构。同时,采用了加有电感、电容的多重并联和串联反馈技术保证电路实现良好的输入输出匹配以及增益平坦度。此外,通过分析集电极偏置电流和最小噪声系数的关系,选择合适的工作点以实现低噪声系数。仿真结果表明,在3-10GH范围内,S21高达21dB,增益平坦度小于1.5dB,噪声系数小于4dB,S11和S22在整个频带内均小于-9dB,且放大器无条件稳定。LNA性能良好。
达林顿结构容易实现高增益,因此为了进一步改善LNA宽带增益,将两级LNA电路中的第二级晶体管用达林顿对代替。同时优化电路的工作状态,适当改变反馈支路的结构,在取得高增益的前提下保证其它性能良好。仿真结果表明,S21在整个频带内提高了3dB,S11和S22均小于-12dB,噪声系数小于5dB。LNA性能得到进一步改善。