一種接收前端三級低噪聲放大器的設計

摘 要:針對單片雷達接收機中對低噪聲放大器(LNA)的要求，采用CMOS 0.18 μm工藝設計了一個三級級聯的鏡像抑制低噪聲放大器。通過在低噪聲放大器中接入限波濾波器，實現對鏡像信號的衰減，從而減小了后端混頻器電路的設計難度。在ADS中對設計的放大器仿真，其結果為:最大供電電壓為5 V情況下，信號頻段為3.0 ~ 3.2 GHz，中頻輸出為225 MHz，功率增益≥31 dB，噪聲系數(FN)≤0.5 dB，1 dB點的輸入/輸出功率分別為-19.5 dBm和11.5 dBm，對鏡像信號的抑制度達22 dB。

關鍵詞:CMOS; 低噪聲放大器; 噪聲系數; 鏡像抑制; 鏡像信號; 陷波濾波器

中圖分類號:TN432 文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)12-0005-03

Design of Three-level Low-noise Amplifier at Front End of Receiver

ZHOU Zhi-zeng， LIU Hong-liang， LIU Peng， MEI Yong-hua

(Unit 63889 of PLA， Mengzhou 454750， China)

Abstract: Three-level low-noise amplifier with image rejection was designed by the aid of the CMOS 0.18 μm technology to meet the requirement of the low-noise amplifier (LNA) in the radar receiver. With the notch filter in the LNA， it can reject the image signal which makes the circuit design of the mixer at the rear end easier. The designed amplifier is simulated in the ADS software. The simulation result is: under the condition of maximum supplied voltage 5 V， the band of the signal is 3.0~3.2 GHz， IF output is 225 MHz， power gain ≥31 dB， noise figure ≤0.5 dB， input and output 1 dB， power of the points is -19.5 dBm and 11.5 dBm respectively and the rejection of the image signal reaches 22 dB.

Keywords: CMOS; low-noise amplifier; noise factor; image rejection; image signal; notch filter

0 引 言

在現代雷達接收機中，應用最廣的結構是超外差結構[1]。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。

為解決該問題，研究工作主要集中在鏡像抑制LNA的設計上[2-4]。從文獻[5-6]中，可以看到通過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，提高了整個雷達接收機對鏡像信號的抑制度。

1 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壓縮點不低于10 dBm，工作電壓為5 V。針對以上要求，采用的LNA基本結構為發射極電感負反饋。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。

Zin≈s(Lb+Le)+1sCbe+ωTLe (1)

圖1 發射極電感負反饋結構

陷波濾波器分為有源和無源2種結構[7-8]，為減少設計的復雜度，在鏡像抑制LNA設計中，采用無源結構，如圖2所示，其中包括了C1，C2和L1 3個無源元件(L1中寄生電阻值為RL1)。

Zin=L1(C1+C2)s2+1C1C2L1s3+C2s (2)

抑制的鏡像頻率fim和通過的信號頻率fuse分別為:

fim=±12πL1(C1+C2) (3)

fuse=±12πL1C1 (4)

濾波器的Q值為:

Q=[ L1/(C1+C2)] RL112 (5)

圖2 帶有無源陷波濾波器的LNA

2 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。為了滿足設計指標中的功率增益，實際的LNA采用三級級聯的方式設計。

FN=F1+(F2-1)/GA1+(F3-1)/(GA1GA2) (6)

IIP3=1/(IIP3)1+G1/(IIP3)2+(G1G2)/(IIP3)3 (7)

式中:Fn，GAn，(IIP3)n分別為LNA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) 要提高模塊的線性度，除了提高各級電路的線性度之外，各級的增益不能太高。

為了滿足整個LNA的噪聲要求，第一級放大器應主要面向優化噪聲設計，以得到最小的噪聲系數，整個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化的同時，提供一定的增益和線性度，以避免整個放大器的增益過低。第三級放大器主要面向線性度的優化，通過諸如增大發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功率壓縮點輸出功率，但是增益會受到一定的影響。

基本放大器采用共源共柵結構[9]，既可以增加輸入/輸出的隔離度，又降低了Ld1和M2間的Miller效應。同時，M1與M2之間接入電感Ld1[10]，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放大器要滿足1 dB功率壓縮點輸出不小于10 dBm的要求，因此主要是面向優化線性度設計。

放大器的電路圖如圖3所示，放大器的輸出功率三階交調點可以由式(8)來估計:

OIP3=10log(5VceIc) (8)

從式(8)中可以看出要提高放大器的線性度，可以通過提高放大管的Vce電壓和集電極電流Ic。由于Vce不會很高，主要就是通過提高集電極電流Ic來提高放大器的線性度，但是一味地提高電流也會帶來功耗的增加。

圖3 單級LNA結構圖

增加發射極電感可以提高1 dB功率壓縮點的輸出功率，但是放大器的增益會隨之降低，同時1 dB功率壓縮點的輸入會增大，加大對前一級放大器線性度的壓力。所以發射極電感只能選擇一個合適的感值，不能過大。

3 LNA仿真結果

仿真結果如圖4、圖5所示。

圖4 鏡像抑制LNA的仿真結果

在鏡像頻率附近，增益由無陷波濾波器時的25 dB 左右，降到-21.9 dB值附近，對進入LNA的鏡像信號起到一定的抑制作用。表1表明電路在頻段內穩定度狀況，系數遠大于1，電路絕對穩定。

另外，從式(5)可看出陷波濾波器的Q值受電感中的寄生電阻所限制。所以，在CMOS工藝中，電感的特性影響著LNA最后的性能。

圖5 鏡像抑制LNA的非線性特性

表1 穩定因子

f /GHz StabFact1 f /GHz StabFact1

2.800 99.177 3.000 166.039

2.820 103.064 3.020 178.848

2.840 107.339 3.040 193.864

2.860 112.060 3.060 211.652

2.880 117.296 3.080 232.967

2.900 123.135 3.100 258.838

2.920 129.681 3.120 290.694

2.940 137.061 3.140 330.564

2.960 145.438 3.160 381.394

2.980 155.012 3.180 447.584

通過表2可以看到LNA在有陷波濾波器和沒有陷波濾波器兩種情況下的仿真結果的對比。

表2 鏡像抑制LNA的性能

參數無濾波器有濾波器

工作頻點 /GHz3.103.10

鏡像頻點 /GHz—3.45

(S11/S22) /dB-10.6/-26.8-34.3/-8.2

NF /dB0.370.47

增益 /dB40.531.0

輸出1 dB /dBm16.311.537

鏡像抑制 /dB—22

工藝 /μmCMOS 0.18

4 結 語

為了達到單片雷達接收機對鏡像抑制度的要求，采 用CMOS 0.18 μm工藝設計了一個三級級聯的鏡像抑制LNA。通過在LNA中接入無源限波濾波器，實現對鏡像信號的衰減，從而減小了后端混頻器電路的設計難度。最后在ADS中對設計的放大器進行仿真，其結果為，最大供電電壓為5 V情況下，信號頻段3.0~3.2 GHz，中頻輸出為225 MHz，功率增益≥31 dB，噪聲系數≤0.5 dB，輸入/輸出1 dB點的功率分別為-19.5 dBm和11.5 dBm，對鏡像信號的抑制度達22 dB。避免了使用片外濾波器，提高了系統的集成度。由于目前的CMOS工藝中，電感的品質依然有待提高。單片鏡像抑制LNA要想達到更好的性能，還有待進一步研究。

參考文獻

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