工程師：基于接收前端三級低噪聲放大器的設計

在現代雷達接收機中，應用最廣的結構是超外差結構。在該結構中，單片系統往往需要片外濾波器去除鏡像信號，例如SAW濾波器，因而給系統的集成度帶來(lái)影響。為了達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。但現代雷達接收機至少需要80 dB的抑制度，這就給鏡像抑制混頻器的設計增加了難度。

為解決該問(wèn)題，研究工作主要集中在鏡像抑制LNA的設計上。從文獻中，可以看到通過(guò)LNA與陷波濾波器(notch filter)的連接，其單片LNA的抑制度分別達到20 dB和75 dB。本文結合雷達接收機中LNA的指標，通過(guò)設計電路結構提高抑制度，與后級的鏡像抑制混頻器連接達到了較高的鏡像抑制比，提高了整個(gè)雷達接收機對鏡像信號的抑制度。

陷波濾波器

在本文中，對低噪聲放大器的要求是工作頻段為S頻段，噪聲系數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。針對以上要求，采用的LNA基本結構為發(fā)射極電感負反饋。式(1)表明，選擇適當的感值就能使端口得到匹配，最重要的是，這種結構在信號的通道上避免了噪聲電阻，大大降低了噪聲系數，如圖1所示。

陷波濾波器分為有源和無(wú)源2種結構，為減少設計的復雜度，在鏡像抑制LNA設計中，采用無(wú)源結構，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設計分析

LNA的性能很大程度上決定了雷達接收機的性能指標。為了滿(mǎn)足設計指標中的功率增益，實(shí)際的LNA采用三級級聯(lián)的方式設計。

式中：Fn，GAn，(IIP3)n分別為L(cháng)NA每級的噪聲系數(這里n=1，2，3)，功率增益和三階交調參數。

從式(6)、式(7)不難得出：

(1)降低模塊的噪聲系數，主要是降低前級電路的噪聲系數;

(2)為了降低后續電路的噪聲對整個(gè)模塊的噪聲影響，前級模塊需要提供適當的增益;

(3)要提高模塊的線(xiàn)性度，除了提高各級電路的線(xiàn)性度之外，各級的增益不能太高。

為了滿(mǎn)足整個(gè)LNA的噪聲要求，第一級放大器應主要面向優(yōu)化噪聲設計，以得到最小的噪聲系數，整個(gè)系統的噪聲系數基本取決于第一級的噪聲系數。第二級放大器應在面向噪聲優(yōu)化的同時(shí)，提供一定的增益和線(xiàn)性度，以避免整個(gè)放大器的增益過(guò)低。第三級放大器主要面向線(xiàn)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構，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。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。

在三級電路設計中，最復雜的是第三級電路。第三級放大器要滿(mǎn)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(xiàn)性度設計。放大器的電路圖如圖3所示，放大器的輸出功率三階交調點(diǎn)可以由式(8)來(lái)估計：

從式(8)中可以看出要提高放大器的線(xiàn)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(xiàn)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，加大對前一級放大器線(xiàn)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仿真結果

仿真結果如圖4、圖5所示。

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