CDMA射频前端低噪声放大器电路的研究

出处：向宏平，杜惠平发布于：2007-09-24 11:40:48

　　摘　要：文章归纳了射频前端低噪声放大器电路设计中的若干问题，逐一探讨了解决问题的方法。基于有关处理，结合CDMA2000基站中射频低噪声放大器电路的设计要求，完成了实际电路的设计。通过仿真，进一步分析了相关问题处理方法的有效性。
       关键词：低噪声放大器；射频前端；CDMA；ADS仿真
       引　言
      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。
      作为移动通信标准之一的CDMA2000，是第三代移动通信系统的一个重要技术标准，在世界范围内得到广泛的重视。事实上，LNA电路的设计是这一标准下基站电路设计的主要内容之一。同时，由于移动通信设备应用场合以及CDMA2000多址方式的特殊性，抑制干扰/噪声、提升增益并保持其稳定性，是相关电路设计的基本出发点。因此，可以结合CDMA2000基站LNA电路的设计问题，探讨一般情形下射频LNA电路设计的若干关键问题及其解决途径。这同时也为一般性问题的讨论提供了实际应用的背景。
        射频LNA电路设计中的若干问题
      低噪声放大电路的设计，首先应同时应着眼于低噪声和高增益两方面的要求。在高增益的情形下，从其性能的可靠性出发，必须兼顾电路的稳定性。为了实现在实际电路设计中对这些因素的综合考虑和折中处理，首先对有关问题逐一加以讨论。
        噪声问题及其处理办法
      导致放大电路噪声特性变差的主要噪声来源包括闪烁噪声、热噪声和散弹噪声。其中，闪烁噪声又称为1/f噪声，其取值与半导体材料有关，功率谱密度与频率成反比。因此，在射频情况下可以不予过多考虑。热噪声是电子热运动所引入的噪声，主要受控于环境温度，与电流无关。在射频情形下，这一噪声受外场频率升高的作用，其量值将随频率的升高而明显增大。散弹噪声不直接受温度的影响。散弹噪声的大小正比于工作电流。综上所述，射频低噪声放大电路中作为对噪声的抑制，主要应考虑对热噪声和散弹噪声的抑制。
      一般地，噪声问题可以通过选择低噪声器件、降低电路插损、改善线性度，以及降低电路功耗等方式加以有效解决。注意，包括低噪声器件的选择在内，上述方法大都与电路的具体设计有关。因此，在实际设计中应根据相关指标要求，灵活应用上述处理方法。
        增益问题及其处理办法
      为了实现电路的高增益(一般都在几十dB) ，通常需要采用多级放大电路，如图1中所示的两级放大电路。这一处理方法在实践中得到了广泛应用。

为了兼顾对噪声问题的考虑，应对多级放大电路的噪声和增益加以统一考虑。对m级放大器，其总噪声系数由各单级电路的噪声系数NF和增益Av决定，即

      由于各单级放大电路的放大倍数一般都远大于1，显然，多级放大电路总的噪声系数主要由前级电路决定，前级电路的噪声大小成为影响整个电路的主要因素。为此，应当通过选择低噪声器件等方式，使前级电路的噪声得到抑制。同时，折中考虑放大级数、单级放大倍数等的选择。
　　为了获得LNA电路增益输出，输入输出必须阻抗匹配。对实际的LNA放大电路，其输入输出阻抗一般都设计为508。从噪声的角度看，可以通过天馈端与LNA电路输入端之间的共轭匹配来实现能量的传输。
        稳定问题及其处理办法
　　电路的稳定性也是LNA电路必须考虑的，特别是在放大器的设计中，必须保证放大器的稳定性，以避免可能出现的自激，稳定性判据如下：
        定义

如果K>1且|△|<1，则电路对任何信号源和负载阻抗是稳定的；如果K<1或|△|>1，则电路存在潜在的不稳定性。对于某些信号源或负载阻抗会出现自激现象，这种情况并不意味着电路不能工作，但需慎重选择信号源和负载阻抗。所以，在进行电路设计时，必须测量相关元件的S参数。改善电路的稳定性通常可采用四种阻抗连接，其连接方式如图2所示。图2(b) 电路是在电路的输入端接上一个转移电阻来改善稳定性。ADS仿真改善前和改善后的kF特性如图3所示(其中，k代表稳定系数)。

　　从图3可以看出，当不接入电阻时，晶体管在0.55GHz到1.4GHz都是不稳定的(K<1) ，但接入转移电阻后，在0.4～2GHz的频率范围内都是稳定的(K>1)。可见，电阻的接入改善和提高了电路的稳定性。
　　当所选晶体管电路是稳定电路之后，通常就可以利用S参数设计电路的噪声和增益。
        对上述问题的折中处理
      上述问题在实际设计中是彼此关联的，因此，在实际电路设计中应当综合考虑，灵活应用各种方式，实现整体性能的，注意做好诸如噪声、增益、线性、功耗等的折中，从而较好地满足设计指标的要求。为此，我们结合CDMA2000基站中射频前端低噪声放大器的设计问题，探讨上述方法的综合应用。
        CDMA2000基站射频LNA电路的设计
　　按照以上原则，设计了用于CDMA2000基站射频前端的LNA电路，该电路主要性能指标如表1所示。所设计电路的结构框图如图4所示。

　　低噪声放大器由两级放大器组成。由于Agilent公司的ATF-34143有着优异的低噪声性能，故选用它组成级放大器，为了保证输入级的驻波要求和提高动态范围，采用平衡电路。综合考虑功耗、增益、噪声系数、稳定性等各方面指标，采用正负电源为ATF-34143供电。第二级选用SirenzA公司的SGA-6489微波单片放大器，它具有宽频带、高增益的特性。
　　图5是级放大器的ADS仿真结果。从图5可以看到，在830MHz时，级放大器的噪声系数为0.305dB，增益为18.8 dB，稳定系数K为1.21，符合预定要求。用ADS仿真软件进行仿真，得到第二级放大器的增益和稳定度特性，如图6 所示。在831MHz时，其增益为19dB，稳定系数为1.13。
　　为了提高、二级放大器之间的驻波性能和第二级放大器的稳定性，在、第二级放大器之间增加了1dB的固定型衰减器。

　　在平衡放大器后，使用了M/A-COM公司的数字衰减器AT-226。该器件单电源供电，步进衰减量1dB，可衰减量15dB，可工作于0.5～2GHz之间，具有优良的宽频性能。在数字衰减器后，还采用一个温度补偿衰减器，用来补偿由于稳定变化引起的放大器增益波动。图7是用Cascade得到的通道特性。

结　论

　　对于RFLNA电路，由于其位置上的特殊性(靠近天线) ，因此，在设计时必须保证通频带内电路的高稳定性、低噪声和高增益，这三个指标是设计考虑的重点。本文对LNA电路中所涉及的主要问题进行了探讨，并提出了解决方法，结合实际LNA电路的设计，较好地验证了方法的可行性。从上面的仿真结果表明，我们的设计较好地满足了相关指标的要求。因此，本文提出的CDMA射频LNA电路设计方法是切实可行的，对相关LNA电路的设计具有很好的指导意义。

关键词：电路放大器射频

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