论文部分内容阅读
射频前端低噪声放大器(LNA)电路是无线电设备前端电路设计中的重要内容。由于实际的无线电传播环境通常较为恶劣，因此，其射频前端电路中必须考虑采用LNA。LNA作为射频模块中的关键电路，其噪声大小直接影响着接收机的性能。另一方面，LNA的设计也是无线电设备相关电路设计中最具有挑战性的内容之一。这主要表现在它同时需要满足高增益、低噪声、良好的输入输出匹配和在尽可能小的工作电流时的无条件稳定性。通常，系统的第一级的NF对总NF起决定作用。因此，设计者应当设法将第一级所产生的噪声减到最小，这一点可以通过选择低噪声放大管来实现。另外，低噪声放大管的性能也将影响LNA的其他关键指标，如增益、匹配、稳定性、动态范围等等。
低噪声放大管的选择
(一)低噪声放大器的主要技术指标
1、噪声系数NF。噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即：
其中Fmin为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的，Topt、Rn和Ts分别为获得Fmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。
对两级和多级放大器而言，其噪声系数为：
其中NFn为第n级放大器的噪声系数，Gn为第n级放大器的增益。
2、放大器增益G。放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值：
G＝Pout/Pin
(4)
同样从式(3)中可以看出，提高佣噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。所以，—般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。
3、输入输出的驻波比。低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情况，我们在设计低噪声放大器的匹配电路时，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计，所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。这种失配在某些情况下会使系统不稳定，一般情况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等其他措施来解决。
4、放大器的动态范围。在低噪声放大器的设计中，应充分考虑整个接收机的动态范围，以免在接收机后级造成严重的非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点IIP3较高一点，至少比最大输入信号高30dB，以免大信号输入时产生非线性失真。除以上各项外，低噪声放大器的工作频率、工作带宽及通带内的增益平坦度等指标也很重要，设计时要认真考虑。
(二)低噪声放大器的选管原则
对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围。由式(3)可见，系统的第一级的NF对总NF起决定作用。因此，设计者应当设法将第一级所产生的噪声减至Ⅱ最小，即第一级放大管应以噪声小做为主要的考虑因素。而后级放大管应以增益和驻波比为主要考虑因素。目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在1分贝以下。我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行考虑：第一，微波低噪声管的噪声系数足够小，工作频段范围足够宽，晶体管的fr一般要比工作频率高4倍以上，现在PHEMT场效应管的噪声系数在2GHz可在0.5dB左右，工作频率高端可达到6GHz。第二，微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围，一般要求放大器工作增益大于10dB以上，当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物要小于系统本身低噪声。
E-pHEMT管的特点
针对高频应用的低噪声放大器(LNA)，曾经在相当长一段时间是基于砷化镓(GaAs)金属化半导体场效应晶体管(MESFET)和耗尽型伪形态高电子迁移率晶体管(pHEMT)的技术来设计的。而随着半导体材料性能及工艺的不断改进，GaAs异质结双极性晶体管(HBT)和更新的pHEMT增强模式(E-pHEMT)技术更加广泛地用于设计功率放大器，而E-pHEMT器件的许多突出特性使其也非常适合用于设计频率覆盖范围很广的高频LNA。与耗尽型pHEMT使用负向电压相比，E-pHEMT的优点在于偏置设计更加简化，只需要一个偏置的正相栅极电压，而产生这样的偏置电压就需要由一个简单的电压分配器提供一个从漏极到栅极的小的正相电压，进而产生—个额定漏电流。这样不但可以简化设计，还能在一定程度上节省收发信机的系统成本，这是它在RF领域中得到广泛应用的重要原因。除此之外，E-pHEMT技术具有许多非常适合于设计放大器的特性，包括：常温下的饱和漏源电流(Idss)小于10μA；栅一源电压为0时，漏电流(Id)约为0；在码分多址(CDMA)通信应用中，静态漏电流(Idq)，小于30mA；具有高输出功率和高效率，偏置直流电压小于+3V；无热崩效应(该效应在双极性晶体管中很常见；无二次击穿机制；能够存在于高度失配条件下；E-pHEMT技术还在高线性LNA的应用中将高增益、低噪声和宽动态范围特性结合起来，如用于商用通信系统的中频抑制(IF)放大器和用于磁共振成像(MRI)系统的前置放大器。
典型E-pHEMT管的应用
安捷伦公司的ATF54143是一种典型的E-pHEMT分立式晶体管，不需要负栅极电压，与耗尽型管相比较，可以简化排版而且减少零件数，该晶体管最显著的特点是低噪声，并具有高增益、高线性度等特性，而且根据器件性能，在漏电流IDS为60mA时能得到最高的三阶截取点(IP3)和最低噪声系数(NF)，在漏电KVDs为3V时，有较高的增益。特别适用于工作频率范围在450MHz-6GHz之间的蜂窝／PCS/WCDMA基站、无线本地环路、固定无线接人和其他高性能应用中的第一阶前端低噪声放大器电路中。如果有源偏置需要满足偏置设置的可重复性，ATF-54143只需要增加单－PNp双极结晶体管。使用安捷伦科技的EEso病级设计系统(ADS)软件可以通过线性或非线性的操作模式对放大器电路进行模拟。对于线性分析，可以用Touchstone格式的两端ISIS-参量对晶体管进行建模，该格式文件ATFS4143.s2p可以从安捷伦中心网站下载。除了增益、噪声指数以及输入输出回波损耗信息以外，模拟过程也可以对电路的稳定性进行重点研究。通过计算机模拟，可以很容易地计算出Rollett稳定系数(K)并画出稳定性圆。对非线性分析，可采用谐波平衡(HB)仿真。HB仿真之所以优于其他非线性方法是由于它计算速度快，既能处理分布式元件电路，又能处理集中式元件电路，而且很容易包含更高次的谐波和内部调制产物。这里采用HB方法仿真1dB压缩点(P－1dB)以及OPl3。为满足噪声系数、截取点和增益的要求，选择漏源电流(Ids)为60mA。从元件数据表的描述数据(可从安捷伦网站下载)可以看出，漏源电流(Ids)为60mA时，IPs很好并且最小噪声指数(Fmin)很低。另外，3V的漏源电压(vds)使增益稍微有所提高，并且能很容易地使用经过调制的5V直流电源。
本文介绍了低噪声放大器的主要指标及基于这些主要指标的放大管的选择原则，阐述了E-pHEMT管的特点和性能，并通过ATF54143这种典型的E-pHEMT管的分析和仿真，得出了满意的结果。随着半导体器件的发展，低噪声放大器的性能不断提高，采用E-pHEMT场效应晶体管的低噪声放大器的在800MHz频段噪声系数可达到0.4dB,增益约17dB左右；1900MHz频段噪声系数可达到0.6dB,增益为15dB左右。低噪声放大器性能的提高将有助于改善收信机的灵敏度和综合性能。
(作者单位：上海交通大学微电子学院)
低噪声放大管的选择
(一)低噪声放大器的主要技术指标
1、噪声系数NF。噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即：
其中Fmin为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的，Topt、Rn和Ts分别为获得Fmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。
对两级和多级放大器而言，其噪声系数为：
其中NFn为第n级放大器的噪声系数，Gn为第n级放大器的增益。
2、放大器增益G。放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值：
G＝Pout/Pin
(4)
同样从式(3)中可以看出，提高佣噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。所以，—般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。
3、输入输出的驻波比。低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情况，我们在设计低噪声放大器的匹配电路时，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计，所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。这种失配在某些情况下会使系统不稳定，一般情况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等其他措施来解决。
4、放大器的动态范围。在低噪声放大器的设计中，应充分考虑整个接收机的动态范围，以免在接收机后级造成严重的非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点IIP3较高一点，至少比最大输入信号高30dB，以免大信号输入时产生非线性失真。除以上各项外，低噪声放大器的工作频率、工作带宽及通带内的增益平坦度等指标也很重要，设计时要认真考虑。
(二)低噪声放大器的选管原则
对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围。由式(3)可见，系统的第一级的NF对总NF起决定作用。因此，设计者应当设法将第一级所产生的噪声减至Ⅱ最小，即第一级放大管应以噪声小做为主要的考虑因素。而后级放大管应以增益和驻波比为主要考虑因素。目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在1分贝以下。我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行考虑：第一，微波低噪声管的噪声系数足够小，工作频段范围足够宽，晶体管的fr一般要比工作频率高4倍以上，现在PHEMT场效应管的噪声系数在2GHz可在0.5dB左右，工作频率高端可达到6GHz。第二，微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围，一般要求放大器工作增益大于10dB以上，当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物要小于系统本身低噪声。
E-pHEMT管的特点
针对高频应用的低噪声放大器(LNA)，曾经在相当长一段时间是基于砷化镓(GaAs)金属化半导体场效应晶体管(MESFET)和耗尽型伪形态高电子迁移率晶体管(pHEMT)的技术来设计的。而随着半导体材料性能及工艺的不断改进，GaAs异质结双极性晶体管(HBT)和更新的pHEMT增强模式(E-pHEMT)技术更加广泛地用于设计功率放大器，而E-pHEMT器件的许多突出特性使其也非常适合用于设计频率覆盖范围很广的高频LNA。与耗尽型pHEMT使用负向电压相比，E-pHEMT的优点在于偏置设计更加简化，只需要一个偏置的正相栅极电压，而产生这样的偏置电压就需要由一个简单的电压分配器提供一个从漏极到栅极的小的正相电压，进而产生—个额定漏电流。这样不但可以简化设计，还能在一定程度上节省收发信机的系统成本，这是它在RF领域中得到广泛应用的重要原因。除此之外，E-pHEMT技术具有许多非常适合于设计放大器的特性，包括：常温下的饱和漏源电流(Idss)小于10μA；栅一源电压为0时，漏电流(Id)约为0；在码分多址(CDMA)通信应用中，静态漏电流(Idq)，小于30mA；具有高输出功率和高效率，偏置直流电压小于+3V；无热崩效应(该效应在双极性晶体管中很常见；无二次击穿机制；能够存在于高度失配条件下；E-pHEMT技术还在高线性LNA的应用中将高增益、低噪声和宽动态范围特性结合起来，如用于商用通信系统的中频抑制(IF)放大器和用于磁共振成像(MRI)系统的前置放大器。
典型E-pHEMT管的应用
安捷伦公司的ATF54143是一种典型的E-pHEMT分立式晶体管，不需要负栅极电压，与耗尽型管相比较，可以简化排版而且减少零件数，该晶体管最显著的特点是低噪声，并具有高增益、高线性度等特性，而且根据器件性能，在漏电流IDS为60mA时能得到最高的三阶截取点(IP3)和最低噪声系数(NF)，在漏电KVDs为3V时，有较高的增益。特别适用于工作频率范围在450MHz-6GHz之间的蜂窝／PCS/WCDMA基站、无线本地环路、固定无线接人和其他高性能应用中的第一阶前端低噪声放大器电路中。如果有源偏置需要满足偏置设置的可重复性，ATF-54143只需要增加单－PNp双极结晶体管。使用安捷伦科技的EEso病级设计系统(ADS)软件可以通过线性或非线性的操作模式对放大器电路进行模拟。对于线性分析，可以用Touchstone格式的两端ISIS-参量对晶体管进行建模，该格式文件ATFS4143.s2p可以从安捷伦中心网站下载。除了增益、噪声指数以及输入输出回波损耗信息以外，模拟过程也可以对电路的稳定性进行重点研究。通过计算机模拟，可以很容易地计算出Rollett稳定系数(K)并画出稳定性圆。对非线性分析，可采用谐波平衡(HB)仿真。HB仿真之所以优于其他非线性方法是由于它计算速度快，既能处理分布式元件电路，又能处理集中式元件电路，而且很容易包含更高次的谐波和内部调制产物。这里采用HB方法仿真1dB压缩点(P－1dB)以及OPl3。为满足噪声系数、截取点和增益的要求，选择漏源电流(Ids)为60mA。从元件数据表的描述数据(可从安捷伦网站下载)可以看出，漏源电流(Ids)为60mA时，IPs很好并且最小噪声指数(Fmin)很低。另外，3V的漏源电压(vds)使增益稍微有所提高，并且能很容易地使用经过调制的5V直流电源。
本文介绍了低噪声放大器的主要指标及基于这些主要指标的放大管的选择原则，阐述了E-pHEMT管的特点和性能，并通过ATF54143这种典型的E-pHEMT管的分析和仿真，得出了满意的结果。随着半导体器件的发展，低噪声放大器的性能不断提高，采用E-pHEMT场效应晶体管的低噪声放大器的在800MHz频段噪声系数可达到0.4dB,增益约17dB左右；1900MHz频段噪声系数可达到0.6dB,增益为15dB左右。低噪声放大器性能的提高将有助于改善收信机的灵敏度和综合性能。
(作者单位：上海交通大学微电子学院)