1、引言

射頻前端低噪聲放大器（LNA）電路是無(wú)線電設(shè)備前端電路設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。由于實(shí)際的無(wú)線電傳播環(huán)境通常較為惡劣，因此，其射頻前端電路中必須考慮采用LNA。LNA作為射頻模塊中的關(guān)鍵電路，其噪聲大小直接影響著接收機(jī)的性能。另一方面，LNA的設(shè)計(jì)也是無(wú)線電設(shè)備相關(guān)電路設(shè)計(jì)中最具有挑戰(zhàn)性的內(nèi)容之一。這主要表現(xiàn)在它同時(shí)需要滿足高增益、低噪聲、良好的輸入輸出匹配和在盡可能小的工作電流時(shí)的無(wú)條件穩(wěn)定性。

作為移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)之一的CDMA2000，是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛的重視。事實(shí)上，LNA電路的設(shè)計(jì)是這一標(biāo)準(zhǔn)下基站電路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一。同時(shí)，由于移動(dòng)通信設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合以及CDMA2000多址方式的特殊性，抑制干擾/噪聲、提升增益并保持其穩(wěn)定性，是相關(guān)電路設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)。因此，可以結(jié)合CDMA2000基站LNA電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題，探討一般情形下射頻LNA電路設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵問(wèn)題及其解決途徑。這同時(shí)也為一般性問(wèn)題的討論提供了實(shí)際應(yīng)用的背景。

2、射頻LNA電路設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題

低噪聲放大電路的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)同時(shí)應(yīng)著眼于低噪聲和高增益兩方面的要求。在高增益的情形下，從其性能的可靠性出發(fā)，必須兼顧電路的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中對(duì)這些因素的綜合考慮和折中處理，首先對(duì)有關(guān)問(wèn)題逐一加以討論。

2.1　噪聲問(wèn)題及其處理辦法

導(dǎo)致放大電路噪聲特性變差的主要噪聲來(lái)源包括閃爍噪聲、熱噪聲和散彈噪聲。其中，閃爍噪聲又稱(chēng)為1/f噪聲，其取值與半導(dǎo)體材料有關(guān)，功率譜密度與頻率成反比。因此，在射頻情況下可以不予過(guò)多考慮。熱噪聲是電子熱運(yùn)動(dòng)所引入的噪聲，主要受控于環(huán)境溫度，與電流無(wú)關(guān)。在射頻情形下，這一噪聲受外場(chǎng)頻率升高的作用，其量值將隨頻率的升高而明顯增大。散彈噪聲不直接受溫度的影響。散彈噪聲的大小正比于工作電流。綜上所述，射頻低噪聲放大電路中作為對(duì)噪聲的抑制，主要應(yīng)考慮對(duì)熱噪聲和散彈噪聲的抑制。

一般地，噪聲問(wèn)題可以通過(guò)選擇低噪聲器件、降低電路插損、改善線性度，以及降低電路功耗等方式加以有效解決[1]。注意，包括低噪聲器件的選擇在內(nèi)，上述方法大都與電路的具體設(shè)計(jì)有關(guān)。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)相關(guān)指標(biāo)要求，靈活應(yīng)用上述處理方法。

2.2　增益問(wèn)題及其處理辦法

為了實(shí)現(xiàn)電路的高增益（一般都在幾十dB），通常需要采用多級(jí)放大電路，如圖1中所示的兩級(jí)放大電路。這一處理方法在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1　兩級(jí)放大電路模型

為了兼顧對(duì)噪聲問(wèn)題的考慮，應(yīng)對(duì)多級(jí)放大電路的噪聲和增益加以統(tǒng)一考慮。對(duì)m級(jí)放大器，其總噪聲系數(shù)由各單級(jí)電路的噪聲系數(shù)NF和增益Av決定[2]，即

由于各單級(jí)放大電路的放大倍數(shù)一般都遠(yuǎn)大于1，顯然，多級(jí)放大電路總的噪聲系數(shù)主要由前級(jí)電路決定，最前級(jí)電路的噪聲大小成為影響整個(gè)電路的主要因素。為此，應(yīng)當(dāng)通過(guò)選擇低噪聲器件等方式，使前級(jí)電路的噪聲得到抑制。同時(shí)，折中考慮放大級(jí)數(shù)、單級(jí)放大倍數(shù)等的選擇。

為了獲得LNA電路最大增益輸出，輸入輸出必須阻抗匹配。對(duì)實(shí)際的LNA放大電路，其輸入輸出阻抗一般都設(shè)計(jì)為50Ω從噪聲的角度看，可以通過(guò)天饋端與LNA電路輸入端之間的共軛匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的最佳傳輸。

2.3　穩(wěn)定問(wèn)題及其處理辦法

電路的穩(wěn)定性也是LNA電路必須考慮的，特別是在放大器的設(shè)計(jì)中，必須保證放大器的穩(wěn)定性，以避免可能出現(xiàn)的自激，穩(wěn)定性判據(jù)如下[2]：定義

式中Δ=S₁₁S₂₂-S₁₂S₂₁

如果K>1且|Δ|<1，則電路對(duì)任何信號(hào)源和負(fù)載阻抗是絕對(duì)穩(wěn)定的;如果K<1或|Δ|>1，則電路存在潛在的不穩(wěn)定性[3]。對(duì)于某些信號(hào)源或負(fù)載阻抗會(huì)出現(xiàn)自激現(xiàn)象，這種情況并不意味著電路不能工作，但需慎重選擇信號(hào)源和負(fù)載阻抗。所以，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須測(cè)量相關(guān)元件的S參數(shù)。

改善電路的穩(wěn)定性通常可采用四種阻抗連接，其連接方式如圖2所示。圖2（b）電路是在電路的輸入端接上一個(gè)轉(zhuǎn)移電阻來(lái)改善穩(wěn)定性。ADS仿真改善前和改善后的k-f特性如圖3所示（其中，k代表穩(wěn)定系數(shù)）。