第1節(jié)低噪聲放大器指標

1、第1節(jié)低噪聲放大器指標低噪聲放大器低噪聲放大器（LNA）是射頻接收機前端的主要部分。它主要有四個特點。1）它位于接收機的最前端，這就要求它的噪聲越小越好。為了抑制后面各級噪聲對系統(tǒng)的影響，這要求有一定的增益，但為了不使后面的混頻器過載，產(chǎn)生非線性失真，它的增益又不能過大。放大器在工作頻段內(nèi)應(yīng)該是穩(wěn)定的。2）它所接收的信號是很微弱的，所以低噪聲放大器必定是個小信號放大器。而且由于受傳輸路徑的 影響，信號的強弱又是變化的，在接收信號的同時又可能伴隨著很多強信號的干擾，因此要求放大器 有足夠大的線性范圍，而且增益最好是可以調(diào)節(jié)的。3）低噪聲放大器一般通過傳輸線直接和天線或者天線的濾波器相連，放大器的

2、輸入端必須和它們很 好的匹配，以達到功率最大傳輸或者最小的噪聲系數(shù)，并能保證濾波器的性能。4）低噪聲放大器應(yīng)該具有一定的選頻功能，抑制帶外和鏡像頻率干擾，因此它一般是頻帶放大器。低噪聲放大器的所有指標都是互相牽連的，甚至是相互矛盾的。這些指標不僅取決于電路的結(jié)構(gòu)，對集成電路來說，還取決于工藝技術(shù)。在設(shè)計中如何采用折衷的原則，兼顧各項指標，是很重要的。1）低功耗LNA是小信號放大器，必須給它設(shè)置一個靜態(tài)偏置。而降低功耗的根本辦法是采用低電源電壓、低偏置電流，但伴隨的結(jié)果是晶體管的跨導(dǎo)減小，從而引起晶體管及放大器的一系列指標的變化。2）工作頻率管的特征頻放大器所能允許的工作頻率和晶體管的特征頻率F

3、t有關(guān)。減小偏置電流的結(jié)果會使晶體率降低。在集成電路中，增大晶體管的面積會使極間電容增加，這也降低了特征頻率。3）噪聲系數(shù)任何一個線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)可以表示為:AKTBRs AKTBfRs(4.1 )式中町？和3?是網(wǎng)絡(luò)的輸入端的等效噪聲電壓源和等效噪聲電流源。對于共射組態(tài)的單管雙極型晶體管放大器的噪聲系數(shù)又可以表示為：1+也+二+全竺E + 箜 + 一 院2頭仙2° 處5占（4.2）對于單管共源MOS場效應(yīng)管放大器，當僅考慮溝道噪聲時，場效應(yīng)管放大器噪聲系數(shù)為：= i+J-y_L電孫（4.3）由此可見兩點：a. 放大器的噪聲系數(shù)和工作點有關(guān)，為了降低功耗而采用小電流偏置，結(jié)果是增大

4、了噪聲系數(shù)。b. 晶體管放大器的噪聲與基區(qū)體電阻有關(guān)，為了降低噪聲，在集成電路設(shè)計時，可以用增大晶體管 的面積來減小基區(qū)體電阻，但增大面積會加大極間電容。4）增益低噪聲放大器的增益要適中。過大會使下級混頻器的輸入太大，產(chǎn)生失真。但為了抑制后面各級的噪聲對系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。放大器的增益首先與管子跨導(dǎo)相關(guān)。其次放大器的增益還與負載有關(guān)。低噪聲放大器是頻帶放大器， 它的選頻功能由其負載決定。5）增益控制低噪聲放大器的增益最好是可以控制的。在通信電路中，控制增益的方法一般有如下幾種：改變放大 器的工作點，改變放大器的負反饋量，改變放大器的諧振回路的 Q值等。這些改變都是可以通過載波 電平檢

5、測電路產(chǎn)生自動增益控制電壓來實現(xiàn)的。6）輸入阻抗匹配低噪聲放大器與其信號源的匹配時很重要的。放大器與源的匹配有兩種方式：一是以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配；二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軸匹配。一般來說，現(xiàn)在多采用后一種匹配方法。匹配網(wǎng)絡(luò)可以是純電阻網(wǎng)絡(luò)，也可以采用電抗網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)適合于寬帶放大，但它們要消耗功率， 并增加噪聲。采用無損耗的電抗匹配網(wǎng)絡(luò)不會增加噪聲，但只適合窄帶放大。7）線性范圍線性范圍主要由三階互調(diào)截點IIP3和1dB壓縮點來度量。放大器的線性范圍和器件、電路結(jié)構(gòu)以及 輸入端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)都有關(guān)系。8）隔離度和穩(wěn)定度增大低噪聲放大器的反向隔離度可以減小本

6、振信號從混頻器向天線的泄漏程度O引起反向傳輸?shù)母驹蛟谟诰w管的集電極和基極間的極間電容以及電路中的寄生參數(shù)的影響，它們也是造成放大器不穩(wěn)定的原因。提高穩(wěn)定性的有效措施有采用中和電容或者晶體管共發(fā)共基（或者共源共柵）結(jié)構(gòu)。第2節(jié) 低噪聲放大器的設(shè)計低噪聲放大器無論采用Bipolar、Bi-CMOS或GaAs FET工藝技術(shù)設(shè)計低噪聲放大器，其電路結(jié)構(gòu)都是差不多的， 都是由晶體管、偏置、輸入匹配和負載四大部分組成。下面將采用實際的例子來進行設(shè)計和分析。例4.1 1.9GHz的CMOS低噪聲放大器。如下圖4.1所示是1.9GH 0、6um工藝的CMOS低噪聲放大器的電路原理圖M3圖4.1 1.9

7、GH 0、6um工藝的CMOS低噪聲放大器的電路原理圖這個電路的特點是：a. 采用共源共柵級(cascode)電路。b. 源極采用電感L2負反饋。c. 負載L3與下級輸入電容組成諧振回路。d. 采用雙端輸入雙端輸出的差分形式。下面我們將從偏置電路、輸入阻抗匹配、噪聲、增益和隔離度等幾個方面來進行分析。1)偏置電路(M4偏置圖中省略)M3和M1組成鏡像電流源，M3的電流是由電源電壓、電阻Rref以及M3的偏壓Vgs共同決定。電阻 Rbais選擇得盡可能大，以使M3的噪聲折合到LNA輸入端的等效噪聲電流源可以忽略。2)輸入阻抗匹配輸入阻抗為 1 p(4.4)jw(Zl+£2) +旦 房設(shè)

8、輸入信號角頻率是加",調(diào)諧輸入回路使之在工作頻率處串聯(lián)諧振，即有1 L |(4.5)為與源阻抗匹配，令式"蟲_“2Cgs(4.6)輸入回路的Q值是、明一_即段（口+隊）事授=2Rs 2Rs3）噪聲(4.7)當工作頻率不是很高時，可以只考慮場效應(yīng)管M1的溝道電阻噪聲，即10& = AkT. g 點B(4.8)則噪聲系數(shù)為s111F = 1+YT島g誠Qm9）上式表明，增加輸入回路的有載 Qin可以改善噪聲系數(shù)。這樣就解決了低功耗和低噪聲系數(shù)的矛盾。4）增益低噪聲放大器的輸出直接與混頻器相連。低噪聲放大器中的電感L3與混頻器的輸入電容及 M2的輸出電容組成并聯(lián)諧振回路，

9、調(diào)諧于輸入信號頻率"仲，提高了 LNA的增益。由于采用諧振回路作為負載，因此它是窄帶放大器，放大器的帶寬取決于線圈L2和L3的Q值。5）線性采用雙端輸入雙端輸出差分對結(jié)構(gòu)，以電感L2作為共源放大器的源極負反饋阻抗，這些措施都擴大了放大器的線性范圍。差分結(jié)構(gòu)的放大器提高了共模抑制比，可以抑制來自數(shù)字電路部分和其它的干擾噪聲。6）隔離度下放大器構(gòu)成了共源共柵接連組態(tài)，這種組合形式提供了最佳的輸出輸入間的隔離度，減少了極間電容的影響。第1節(jié)分數(shù)分頻器技術(shù)探討推薦給好友數(shù)字頻率合成器是新一代無線應(yīng)用 RF IC的核心，這種頻率合成器和混頻器一起用在超外差無線電接 收機中，可以替代本機振蕩器作

10、為從RF載波中提取調(diào)制信號的工具。近年來，根據(jù)傳統(tǒng)整數(shù)倍頻合成的基本概念提出了多種非整數(shù)倍頻合成方法，其中有三種技術(shù)在業(yè)界最為著名，分別是以分數(shù)分頻器、電流注入和- Z調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)的分倍合成技術(shù)。合成器中最基本的組成部件是鎖相環(huán) (PLL),它是一個負反饋回路，輸出信號的相位被強制跟參考信 號一致。一個最基本的現(xiàn)代 PLL由參考源、相頻檢測器(PFD)、電荷泵(CP)、回路濾波器和壓控振蕩 器(VCO)組成。VCO的輸出在PFD里與參考信號進行相位比較，測得相位差的極性決定了電荷泵內(nèi)的電流源是吸收 還是送出電流，所以電荷會流入或流出回路濾波器內(nèi)的電容器，電荷流動的數(shù)量與相差大小成正比。然后這又

11、會去調(diào)整 VCO調(diào)諧電壓，使其相位滯后或超前，通過整個設(shè)計回路保證使相位誤差得到校 正。PFD的功能同樣是為了保證打開正確的電流源。當輸入PFD的兩路信號頻率不同時，它會打開饋送或抽取電流開關(guān)，使VCO加快或減慢。當回路達到鎖定條件后，所生成的信號頻率就等于參考頻率。如果在VCO和PLL之間放置了分頻器，PLL就成為一個頻率合成器，其輸出是參考頻率的整數(shù)倍。分頻器從本質(zhì)上講是由 VCO鎖定的狀態(tài)機，它每隔N個VCO周期輸出一個上升沿，這里N是預(yù)先確 定好的數(shù)，表示頻分比。由于回路使得分頻器輸出頻率跟隨參考頻率，因此VCO比參考信號快N倍，即fvco=N xfref其中fvco表示VCO的輸出頻

12、率，fref表示參考頻率。上述方程表明頻率合成器可看 成是輸入輸出頻率關(guān)系固定的倍頻器。如果頻分比做成可自行設(shè)計的形式，它就是一個整數(shù)N倍頻合成器?？删幊谭诸l器是一種可以帶負載的數(shù)字計數(shù)器，其輸出每隔 N個VCO周期完成一個自身周期，類似一個簡單的分頻器。因為頻分比 可任意設(shè)計，所以輸出頻率 fvco可以通過改變N加以改變。注意可合成的頻率值只能是輸入?yún)⒖碱l 率的整數(shù)倍，這就是整數(shù) N倍頻合成器名稱的由來。因此信道間距的最小值或頻率步長就等于fref,這是整數(shù)N倍合成器的主要約束條件?！癗分”則是指最小頻率步長可以是參考頻率分數(shù)倍的合成器，換言之，合成頻率可為參考頻率的非整 數(shù)倍，即fvco=

13、fref(N+k/M)其中k和M都是整數(shù)。M表示N分合成器能提供的分頻數(shù)量，通常稱為 分 頻系數(shù)”或 分母”，k是0到M之間的任意數(shù)。非整數(shù)值 N+k/M通常寫作N.F,這里的圓點代表小數(shù) 點，N和F分別代表該數(shù)字的整數(shù)和小數(shù)部分。采用N分技術(shù)的分數(shù)分頻器是根據(jù)整數(shù)N倍頻合成器的基本原理發(fā)展而來的，唯一的區(qū)別在于分頻器由分數(shù)分頻器代替。分數(shù)分頻器不再是簡單的數(shù)字計數(shù)器，其輸出周期Tdo由下式確定Tdo=(N+0.F)Tvco其中0.F代表一個分數(shù)值，Tvco是VCO的周期。這里需要強調(diào)的是一旦 N和0.F確定之后， 分數(shù)分頻器輸出信號的周期具有很理想的非時變特性，也就是說每隔N加0.F個VCO

14、周期出現(xiàn)一個上升沿。對于整數(shù)N倍頻合成器，Tdo被強制跟隨參考周期，因此有 Tref=（N+0.F）Tvco 或fvco=（N+0.F）fref 其中Tref表示參考信號的周期。典型的分頻器采用雙模分頻器 （DMD）、延退閉鎖環(huán)（DLL）、多路復(fù)用器（MUX）以及數(shù)字相位累加器（DP A）實現(xiàn)，不過應(yīng)注意分數(shù)分頻器不必使用DLL。DLL可由一組級聯(lián)的可調(diào)延退元件、PD、CP和D觸發(fā)器構(gòu)成，DLL中的負反饋保證通過延退線路的總延退是一個VCO周期。因為延退元件理論上是一樣的，所以相當于一個 VCO周期被拆分為Nd個等相位 包”，這里Nd表示延退線路上延退元件數(shù)量。簡單的DPA由加法器和寄存器組成

15、，它采用參考信號時鐘，輸入是一個m位的字。寄存器內(nèi)容用來控制MUX，該內(nèi)容在每個參考信號的上升沿隨輸入值 x而增加，x也由一個m位字來描述，DPA的 輸出（也即加法器的進位輸出）是輸入的1位量化結(jié)果。累加器位數(shù)m與離散的相位 包”數(shù)目有關(guān)，即Nd=2mDPA的輸出控制DMD,當該進位輸出是高電平時，DMD就除以N+1 ,而當進位輸出是低電平時則除 以N。從下面的例子中我們可以看到，對于 DPA輸入為x的分數(shù)頻分比N+0.F就等于N+x/2m。例 如DPA有4位，那么延退線路就有 8個元件，每個相位 包”對應(yīng)于一個VCO周期的1/8。同樣，假 定輸入等于2,其對應(yīng)的0.F就等于2/8。在沒有進位

16、輸出時，DMD除以N。然而其輸出并不立即提 交給PLL的PFD,而是被多路復(fù)用器控制或選擇的多個相位信息包延退一段時間。信息包的數(shù)目等于 DPA的內(nèi)容，每過一個參考周期增加 2,就是說輸出根據(jù)每個參考周期相位信息包 （0、2、4、6或8）數(shù)量遞增而產(chǎn)生相移，其結(jié)果就是DMD輸出周期增加了 2/8個VCO周期，因此等效頻分比變?yōu)镹+0.25,這也是它應(yīng)該得到的效果。當DPA的內(nèi)容達到8以后，DPA將被復(fù)位，而DMD的輸出不會被延退線路延退，但是這正好與一個令DMD除以N+1的進位輸出重合，這就等于用DMD除以N,并且輸出再延退 8個相位信息包（或一個VCO周期）。第1節(jié)濾波器結(jié)構(gòu)的選擇EMC設(shè)計

17、中的濾波器通常指由 L, C構(gòu)成的低通濾波器。不同結(jié)構(gòu)的濾波器的主要區(qū)別之一，是其 中的電容與電感的聯(lián)接方式不同。濾波器的有效性不僅與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還與連接的網(wǎng)絡(luò)的阻抗有 關(guān)。如單個電容的濾波器在高阻抗電路中效果很好，而在低阻抗電路中效果很差。 傳統(tǒng)上，在濾波器兩端的端接阻抗為50歐姆的條件下描述濾波器的特性（這一點往往未被注意），因為這樣測試方便， 并且是符合射頻標準的。但是，實踐中源阻抗Zs和負載阻抗Zi很復(fù)雜，并且在要抑制的頻率點上可能是未知的。如果濾波器的一端或兩端與電抗性元件相聯(lián)結(jié)，則可能會產(chǎn)生諧振，使某些頻率點的 插入損耗變?yōu)椴迦朐鲆??？梢姡_選擇濾波器的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。究竟是選擇電容、電感還是兩者的組合，是由所謂的"最大不匹配原則"決定的。簡言之，在任何濾波器中，電容兩端存在高阻抗，電感兩端存在低阻抗。圖 6.1是利用最大不匹配原則得到的濾波器的結(jié)構(gòu)與ZS和ZL的配合關(guān)系，每種情形給出了 2種結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的衰減斜率（n表示濾波器中電容元件和電感元件的總數(shù)）。Zift儼 I)*'-jZi AI 2<