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一种1~3 GHz无电感型宽带低噪声放大器设计

吕杰?? 刘林海?? 曹纯?? 李哲?? 中国电子科技集团第五十四研究所 电磁场与微波?? 2015年07月15日 ?? 收藏1

2 电路设计

本文设计的低噪声放大器的完整电路结构如图3所示。该电路为单端结构,共有2 级。其中,M1、RL构成了第1 级的放大电路; M2、M3 为源级跟随器,为宽带低噪声放大器的第2 级,2级电路之间通过电容进行耦合,Vbias为第2 级电路的偏置电压,Rf为反馈电阻,主要起着调整输入电阻作用,同时它和M1 也在很大程度上影响着噪声系数,因此,在电路设计中需要对其阻值进行折中。合理调整反馈电阻Rf及M1 管的宽长比,便可实现良好的输入匹配。M1 栅极的噪声经过主放大电路进行放大,在M1 的漏端的噪声电压与器相位相反,该噪声电压经过源级跟随电路后相位与之前相同,即与M1 的栅极噪声电压极性相反,经过反馈电阻后在M1 的栅极处形成噪声抵消,合理调节共源放大电路与源级跟随电路的增益可以使得主放大电路M1 管的沟道热噪声完全抵消。

图3 改进的负反馈型宽带低噪声放大器
图3 改进的负反馈型宽带低噪声放大器

该结构的设计要点如下:

① 在工作频段范围内实现1 ~ 3 GHz 宽带匹配,使其S11<-15 dB;

② 带内增益>14 dB;

③ M1 的沟道热噪声被反馈电路降低,在宽频带范围内实现噪声系数NF<3. 6 dB。通过分析小信号模型和噪声系数,得到该结构的输入阻抗为:

低噪声放大器的完整电路结构

电压增益为:

低噪声放大器的完整电路结构

式中,RNB为源级跟随器的输入阻抗; gm1为M2 的跨导。基于电阻噪声系数分析,电阻负反馈型宽带低噪声放大器主要的噪声来源是M1 管和反馈电阻Rf,它们贡献的噪声能够超过总噪声的80%。其中M1 管的热噪声为: I2 = 4kTγgd0,反馈电阻Rf的噪声为V2Rf = 4kTRf。在电路设计中消耗较小的功率,同时实现尽可能低的噪声系数通常需要相互折中。Thomas H. Lee等人提出了在功耗约束条件下的噪声优化方法,并推导出了器件最优宽度的表达式:

低噪声放大器的完整电路结构

式中,Qsp的值为3. 5 ~ 5. 5,在该范围内噪声的影响很小,Qsp取最佳值4. 5 时,噪声可表示为:

低噪声放大器的完整电路结构

与最佳噪声系数Fmin相比噪声会有稍许增加。在综合考虑噪声系数和匹配效果的条件下折中选择M1 的栅宽尺寸和反馈电阻R1的阻值; M1 的栅宽尺寸主要是根据最小噪声系数原则和偏置电流推导得出,之后根据S11参数和噪声系数对2 个参数进行优化。在确定好这2 个参数的情况下,对宽带低噪声放大器的第一级负载电阻进行优化,选择合适的阻值。在初步完成上述参数的初始值后,对宽带低噪声放大器的整体性能进行优化设计,直至各参数满足系统指标。为了便于后续电路的测试验证,在核心电路后边增加了一级输出驱动电路,该输出驱动电路为源级跟随器,在增大了输出驱动能力的同时可以提供宽带输出匹配。

在进行宽带低噪放的电路设计时,稳定性设计是必不可少的,否则电路容易自激。其稳定性的判据主要是稳定系数K 和|Δ| ,为了得到绝对稳定的网络,必须满足K > 1 和|Δ| < 1。稳定系数K 和|Δ|的表达式如下:

低噪声放大器的完整电路结构

当上面2 个条件同时满足时,低噪声放大器绝对稳定; 如果这2 个条件不能同时满足,低噪声放大器会存在潜在的不稳定和振荡,本文所设计的宽带低噪声放大器的版图如图4 所示。

图4 宽带低噪声放大器的整体版
图4 宽带低噪声放大器的整体版

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宽带低噪声放大器? 电阻负反馈? 无电感?

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