0 引言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/89189.htmLNA已廣泛應用於微波通信、GPS接收機、遙感遙控、雷達、電子對抗及各種高精度測量系統等領域中，是現代IC技術發展中必不可少的重要電路。LNA位於射頻接收的最前端，其主要功能是將從天線接收到的信號無失真地放大到下一級電路，同時保證較小的噪聲。它的增益、噪聲和穩定性等將對整個系統產生重要影響。因此，低噪聲放大器的基本設計要求是：噪聲係數低、足夠的功率增益、工作穩定可靠、足夠的帶寬和較大的動態範圍。
SiGe材料安全性很好，器件具有功耗小、特徵頻率高的優點，與成熟的Si工藝兼容，其集成度也相當高。SiGe HBT在微波和射頻通信領域的地位越來越重要，其最佳應用領域之一就是低噪聲放大器。經過20年的發展，SiGe HBT的最高截止頻率fT已達到375 GHz。
IEEE802.11a無限通信標準是近年來提出的一種新的無線標準，其最大吞吐率為在5 GHz波段上實現54 Mbit／s傳輸速率。該標準採用正交頻分多路復用(OFDM)調製技術，可有效降低多重路徑衰落對接收器性能的影響，將比以往的802.11b和藍牙(2.4 GHz頻帶，最高11 Mbit／s)具有更廣泛的應用。
近年來，國內外對於低噪聲放大器的報導，用GaAs FET、CMOS來實現的較多，而用矽鍺異質結雙極型電晶體(SiGe HBT)實現的較少。為了更好地探討這方面的問題，本文基於IEEE802.11a標準介紹了一款SiGe HBT低噪聲放大器的設計。
1設計理論及方法
1.1 LNA低噪聲的實現
對於大多數射頻放大器來說，在低噪聲前提下對信號進行放大是系統的基本要求，因此，LNA低噪聲的實現尤為重要。放大器的噪聲係數F可定義為放大器的輸入信噪比和輸出信噪比的比值，則
式中：Sin、Nin分別為輸入端的信號功率和噪聲功率；Sout、Nout分別為輸出端的信號功率和噪聲功率。
對於單級放大器而言，其噪聲係數的計算為式中：Fmin為電晶體的最小噪聲係數，是由放大器電晶體本身決定的；Γopt、Γ8和Rn分別為獲得Fmin時的最佳反射係數、電晶體輸入端源反射係數以及電晶體的等效噪聲電阻。
放大器的噪聲係數與信號源的阻抗有關，而與負載無關。一個電晶體，當它的源端所接的信號源的阻抗等於它所求的最佳源阻抗時，由該電晶體構成的放大器的噪聲係數最小；而第一級噪聲係數起著決定性作用，所以第一級放大器必須實現最佳噪聲源阻抗設計。
1.2放大器增益分析
為了對放大器的增益進行分析，圖1給出了阻抗匹配示意圖。VG為源電壓，ZG為源阻抗，Zin為輸入阻抗。輸入功率用集總參量可表示為
假定源阻抗是一固定的複數值ZG=RG+jXG，可以找出必須強加於Zin上的條件，在此條件下，可以獲得最大功率傳輸。將Pin處理為兩個獨立變量Rin和Xin的函數，首先求Pin對Rin和Xin的導數，並令其為0，找出最大輸出功率條件，即
同理，對輸出阻抗和負載阻抗的匹配可用同樣方法分析，最大傳輸功率需要的共軛複數匹配為
從以上分析可以得出，在小信號情況下，當輸入輸出同時達到共軛匹配時，有最大功率增益。
1.3穩定性
低噪聲放大器在整個工作頻帶內，除了要求有低噪聲係數和足夠的增益外，還必須保證能穩定地工作。放大器的穩定係數為
式中：△=S11S22-S12S21；S11、S22為輸入、輸出反射係數；S21為增益；S12為反向傳輸係數。當K>1且∣△∣<1，則電路對任何信號源和負載阻抗都是絕對穩定的；而如果K<1或∣△∣>1，則電路將是不穩定的，有些信號源或負載阻抗會出現自激現象，需要選擇合適的信號源和負載阻抗。
2 電路設計方法及仿真
2.1 技術指標
工作頻率範圍：5.0～5.4 GHz；
低噪聲係數：<1.6 dB；
高功率增益：>12 dB；
輸入輸出阻抗：50 Ω；
工作電壓：3 V。
2.2仿真設計
LNA的電路結構主要有共射(CE)、共基(CB)及共射共基(Cascode)三種。通過比較發現CE結構的電路噪聲係數最小，Cascode結構的電路噪聲係數最大。考慮到對增益的要求不是太高，選用單級放大CE結構。根據設計要求，可以選用NEC的矽鍺電晶體NECSG3031M14，其主要特點是低噪聲、高增益。在VCE=2 V，Ic=10 mA，f=5.2 GHz時，該電晶體的噪聲係數F=0.95 dB，資用功率增益Ga=10.0 dB。這些特點為電路設計提供了基本的前提條件。
本文採用的LNA電路結構如圖2所示。其中，L1、C1、C3組成了輸入匹配網絡，其中，C3起到了隔直流的作用。L2、L3、L4組成了輸出匹配網絡，其中，C4起到了隔直流的作用。輸入、輸出網絡都採用了T型結構，便於調節帶寬，使增益和噪聲性能都達到最優。此外，R1、R2、L5和L6構成了偏置網絡，使電晶體工作在3 V、10 mA的直流偏置條件下。
LNA穩定性的判斷可以通過K和△的表達式或源端和負載端穩定係數圓來判斷，通過穩定係數圓發現此電路在工作頻帶內符合絕對穩定條件。
2.3仿真結果
通過安捷倫ADS軟體對電路進行仿真，得到了S21、S11、S22及輸出埠的噪聲係數和最小噪聲係數。SiGe LNA的增益仿真結果如圖3所示，放大器在5.2 GHz處取得了12.6 dB的增益，大於預期的設計技術指標。
圖4、5示出了低噪聲放大器的S11和S22的仿真結果，通過觀察可發現，整個匹配網絡在特定的工作點幾乎是最低點。在5.0～5.4 GHz頻帶中，S11優於-10 dB，S22優於-15 dB。
圖6是低噪聲放大器的噪聲係數和最小噪聲係數與頻率的關係。該圖表明，在5.2 GHz時，放大器的輸出噪聲係數是1.5 dB。在工作頻帶內，輸出噪聲係數與其最小噪聲係數相差不大，證明匹配很好。
圖7為表示穩定性的係數K、∣△∣與頻率的關係。由圖可知，在工作頻帶內，K>1，並且∣△∣的值在0.8左右，符合K>1且∣△∣<1的穩定條件，在工作頻帶內絕對穩定。
3 結論
本文採用單級CE結構電路，T型結構輸入、輸出匹配網絡，設計了一款適用於IEEE802.11a標準的SiGe HBT低噪聲放大器，增益和噪聲性能都達到了較好的指標。由仿真結果可以看到，在工作頻帶(5.0～5.4 GHz)內，噪聲係數都滿足小於1.6 dB，增益大於12 dB，輸入、輸出反射係數S11和S22也較好，均小於-10 dB，最小值接近-40 dB，其結果均符合預期的性能指標。