低噪声放大器设计原理

2021-04-29 14:33:57      点击:

LNA即低噪声放大器,是噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器,以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。这些设备后期的处理都是基于LNA放大后的信号进行的,所以低噪声的模拟放大器在产品设计中至关重要。


LNA电路的主要技术指标有噪声系数(FN)、增益、工作频带、输入/输出驻波比和增益平坦度等,其中FN和增益对接收机性能的影响较大。

设计LNA电路时,在保证电路绝对稳定,避免产生自激振荡的情况下,尽量降低放大器的FN。对于绝对稳定的晶体管,可以按照最佳噪声匹配得到最低的FN;对于条件稳定的晶体管,要优先考虑稳定性因素。完成匹配后的放大器,要对稳定因子进行测试,在全频段内,要求稳定性因子μ。

为保证低噪声性能,通过电抗滤波器提供偏置电压或电流,而不用电阻偏置电路,以避免将电源噪声和偏置电阻的热噪声引入到射频通道。

另外,良好的阻抗匹配设计能够提高电路传输能量,提高系统增益,改善驻波特性,增强系统稳定性,降低噪声等,在设计LNA电路时,应根据不同的性能需求选择不同的匹配方式。

设计LNA电路,首先要选择FN小的放大管。从目前的种类和应用来看,Si和SiGe类低噪声晶体管的FN要高一些,好的可做到0.7dB左右,FN稍高的为砷化镓材料器件,FN最低的为增强型PHEMT(E-PHEMT)器件。

LNA电路结构框图如图1所示,射频信号从耦合器1脚输入,功率平均分配到2脚和3脚,但是3脚的射频信号相位比2脚相位滞后90°。如果上下两路LNA性能以及单板布局完全相同,那么两路LNA的反射系数也完全相同,且下支路的输入反射波相位仍然比上支路的输入反射波相位滞后90°,即假设上支路的反射波相位为0°,则下支路反射波的相位为-90°。两路反射波经过3dB耦合器到达1脚,上支路的反射波相位为θ°。由于两路反射波在1脚完全抵消,从而保证Input输入驻波非常小。

低噪声放大器

1 LNA电路结构框图

同理可以分析输出端耦合器1脚输出驻波性能非常好,且输入/输出的反射波都消耗在两个50Ω电阻上。采用平衡式LNA的最大好处是可以保证LNA单管在最佳噪声匹配的前提下获得非常优良的驻波性能。

本设计采用在输入口和输出口分别加电容(或电感)和电阻串联到地的方式,形成低频端吸收式负载和高频端吸收式负载。稳定性改善后的μ稳定性因子如图2所示。

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2 稳定性因子图

直流偏置电路由SIEMENS的BCR400W及外围器件组成,提供放大管恒定的工作电流,以稳定其DC工作点。现以电流增加时的闭环控制过程为例,给出恒流控制电路原理图如图3所示。

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3 恒流控制电路

场效应管的漏极电流上升→BCR400W的4脚电位下降→BCR400W内部控制三极管Q的截止程度加深→BCR400W的2脚电位偏负→场效应管的栅极电位偏负→场效应管的漏极电流下降。


通过器件模型得到图4所示的放大器单管在上述偏置条件下输入/输出的阻抗特性和最佳噪声反射系数TOPT;然后,通过Smith圆图辅以源、负载稳定判别圆、等增益圆和凡圆等使用集总参数元件粗略确定匹配。再结合微带单枝节等分布参数元件得到较为精确的网络参数,满足LNA的性能指标。

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4 阻抗

2016年全球射频低噪声放大器收入为12.80亿美元,而随着4G逐渐普及,智能手机中天线和射频通路的数量增多,对射频低噪声放大器的数量需求迅速增加,因此预计在未来几年将持续增长,到2020年达到14.75亿美元。

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5 LNA市场前景

但是我们看到,现阶段,全球射频前端芯片市场主要被欧美传统大厂占据。这是由行业特性所决定的。

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