可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃鞯脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

師建英++許衍彬

摘 要： 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)較高，增益平坦性較差。為了解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)了可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃?，其由高增益模塊、中間增益模塊和低增益模塊構(gòu)成。將有源負(fù)反饋低噪聲放大器作為放大器的高增益放大模塊，采集微弱的輸入信號(hào)。中間增益模塊通過(guò)電阻分壓衰減器實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的衰減處理，確?？傮w放大器具有較高的線性度。低增益模塊通過(guò)衰減器完成相關(guān)工作，可采集到強(qiáng)信號(hào)，避免三階交調(diào)量對(duì)系統(tǒng)信噪比的不利干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，設(shè)計(jì)的低噪聲放大器在電壓增益、噪聲系數(shù)和三階交調(diào)量三方面的性能都較優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 可變?cè)鲆娣糯笃鳎?低噪聲； 三階交調(diào)量； 電阻分壓衰減器

中圖分類號(hào)： TN722.3?34； TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）09?0099?05

Abstract： Since the low?noise amplifier of the traditional structure has the problems of high noise coefficient and poor gain flatness， a variable?gain low?noise amplifier was designed. The amplifier is composed of the high?gain module， middle?gain module and low?gain module. The active feedback low?noise amplifier is taken as the high?gain amplification module of the amplifier to acquire the weak input signal. The middle?gain module attenuates the input signal by means of the resistance?based voltage?dividing attenuator to ensure the high linearity of the overall amplifier. The low?gain module acquires the strong signal while the related work was done by the attenuator to avoid the harmful interference of the three?order intercept to the system signal?to?noise ratio. The experiment result shows that the designed low?noise amplifier has superior performance in the aspects of voltage gain， noise coefficient and three?order intercept.

Keywords： variable?gain amplifier； low noise； three?order intercept； resistance?based voltage?dividing attenuator

0 引 言

隨著集成電路向系統(tǒng)芯片方向發(fā)展和芯片工藝尺寸縮小形成的高頻性能增加，使用芯片工藝設(shè)計(jì)射頻前端電路廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[1]。低噪聲放大器是射頻接收機(jī)的首個(gè)模塊，其決定了系統(tǒng)的靈敏性。因此，放大器需要具備較低的噪聲系數(shù)，并且還需要通過(guò)合理的增益限制后級(jí)電路的噪聲對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾[2]。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)較高，增益平坦性較差。

以往設(shè)計(jì)出的低噪聲放大器存在較多的問(wèn)題，如文獻(xiàn)[3]分析的一種多可調(diào)諧的窄帶低噪聲放大器組合，可采集到寬頻帶的信號(hào)，但其需要較多的大電容和大面積的電感，成本較高。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的源極串聯(lián)電感反饋共源低噪聲放大器，可在低功耗下獲取高電壓增益，具有較低的噪聲系數(shù)，但是其存在增益平坦性差的缺陷。文獻(xiàn)[5]采用跨導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)設(shè)計(jì)反相放大器，其通過(guò)噪聲抵消方法確保噪聲系數(shù)的最低化，但是需要額外的放大電路，成本較高。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了電容交叉耦合低噪聲放大器，其通過(guò)電容交叉耦合方法降低噪聲系數(shù)，確保共柵低噪聲放大器的線性度和穩(wěn)定性，但其需要輸入大量差分信號(hào)，容易對(duì)噪聲系數(shù)產(chǎn)生惡化。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了可變?cè)鲆娴驮敕糯笃?，其由高增益模塊、中間增益模塊和低增益模塊構(gòu)成。其噪聲系數(shù)低，增益變化具有較高的線性度。

1 可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃鞯脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

射頻接收機(jī)的輸入信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)較高，最低功率的信號(hào)應(yīng)低于-100 dBm，而最高功率信號(hào)為0 dBm。為了確保接收機(jī)具備合理的動(dòng)態(tài)波動(dòng)區(qū)域，設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃鲬?yīng)按照采集到的信號(hào)強(qiáng)度自主調(diào)整增益。設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃饔筛咴鲆婺K、中間增益模塊和低增益模塊構(gòu)成。其中，高增益模塊具有較低的噪聲系數(shù)，可采集到信號(hào)輕度弱的輸入信號(hào)[7]；中間增益模塊內(nèi)的衰減器增益低于1，說(shuō)明衰減器可產(chǎn)生低于0 dB的增益，可先完成大信號(hào)的衰減處理，確?？傮w可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃骶哂休^高的線性度；低增益模塊通過(guò)衰減器完成，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減處理。

1.1 高增益模塊

1.1.1 有源負(fù)反饋低噪聲放大器設(shè)計(jì)

有源負(fù)反饋低噪聲放大器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其可破壞輸入阻抗同噪聲系數(shù)以及增益間的折衷關(guān)系，能夠提供足夠的增益，并且具有較低的噪聲系數(shù)，為數(shù)字電視調(diào)諧器提供高質(zhì)量的服務(wù)[8]。將該有源負(fù)反饋低噪聲放大器當(dāng)成可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃鞯母咴鲆婺K。

該放大器進(jìn)行電壓增益以及輸入阻抗的匹配過(guò)程中，M1管為共源放大管，其溝道電流在負(fù)載上可變換成輸出電壓，完成電壓的放大處理[9]。M2管為源極跟隨器，其可向輸入端傳遞輸出信號(hào)，并且融入有源負(fù)反饋，M2管同電阻串聯(lián)構(gòu)成輸入阻抗匹配電路。MC管為共柵管，能夠降低M1管柵漏寄生電容的米勒效應(yīng)，增強(qiáng)輸出阻抗和輸入輸出間的反隔離度。是M1的跨導(dǎo)，是負(fù)載電阻。是輸入電壓，是輸出電壓，二者的比值為電壓增益。

1.1.2 放大器偏置電路的設(shè)計(jì)

將圖1設(shè)計(jì)成圖2所示的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)跨導(dǎo)的控制。

圖2中共源放大管M1a～M4a同共柵放大管M1c～M4c組成四條支路，這些支路是否運(yùn)行同共柵管的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。最高增益模式下，四條支路全部都運(yùn)行，共柵管的柵極偏置電壓為：

1.3 中間增益模塊設(shè)計(jì)

中間增益模塊也可以按照高增益模塊的思路繼續(xù)控制跨導(dǎo)，以得到更小的跨導(dǎo)，可獲取更小的增益。該方法獲取的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)惡化較少，但是其線性度提升較慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低增益情況下系統(tǒng)對(duì)三階交調(diào)量的要求，并且會(huì)耗費(fèi)較多資源。因?yàn)殡娮杷p器具有較強(qiáng)的線性度，能夠?qū)Υ笮盘?hào)進(jìn)行衰減處理，降低后級(jí)電路的輸入信號(hào)，最終削弱對(duì)后級(jí)電路的三階交調(diào)量要求?；趫D2可得，高增益模塊先融入電阻衰減器，能夠在獲取中間增益的情況下確保良好的三階交調(diào)量。因此設(shè)計(jì)的電阻衰減器att同高增益模塊lna_mg串聯(lián)構(gòu)成放大器的中間增益模塊結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5中，在高增益模塊lna_mg前插入電阻衰減器att，lna_mg在全部增益模式下的輸入抗阻同保存匹配，此時(shí)lna_mg的為圖4中和電阻值的總和。圖5中是圖4中的Part1，是圖4中的Part2。

用Gatt和Glna分別表示att和lna_mg的增益，則Gatt包括-6 dB，-12 dB和-18 dB三個(gè)增益模式，包括具有2 dB臺(tái)階的-20～14 dB的增益，和間的組合，能夠獲取-6～14 dB的中間增益，同時(shí)具有2 dB的增益臺(tái)階。

1.4 完整的可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)

將上述分析的各模塊進(jìn)行匯總后可獲取完整的可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃?，如圖6所示。圖6中的lna_uhf是圖1設(shè)計(jì)的有源負(fù)反饋低噪聲放大器，lna_mg是高增益模塊，其同lna_uhf結(jié)構(gòu)一致，只是反饋電阻同負(fù)載處的電感存在一定的差異；中間增益模塊lna_vhf同前二者的結(jié)構(gòu)一致，但是其單元管子面積較大，并且負(fù)載電阻增加。衰減器att_u同att_v的結(jié)構(gòu)如圖6所示，二者間的電阻的取值不同。

從圖6可以看出，att_v內(nèi)部關(guān)斷，僅閉合開(kāi)關(guān)S3，則放大器能夠獲取-22～6 dB的增益，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S3，閉合開(kāi)關(guān)S0以及S2，att_u同lna_mg配合能夠獲取-6～14 dB的增益，內(nèi)部關(guān)斷除了lna_uhf的全部模塊，只閉合開(kāi)關(guān)S1，能夠通過(guò)lna_uhf獲取14～20 dB的增益，滿足低噪聲放大器的指標(biāo)需求增益區(qū)間要求，最終完成對(duì)低噪聲放大器的降噪操作。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃鞲餍阅軈?shù)隨增益的變化情況，測(cè)試設(shè)計(jì)的放大器的性能。

2.1 可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃鞯脑鲆?/p>

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)本文設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃骱蛡鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的放大器，在高頻段下的增益隨控制碼波動(dòng)的工作頻率是630 MHz時(shí)增益控制和增益臺(tái)階的變化狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。可以看出，本文設(shè)計(jì)的放大器總體上增益變化線性度較好，增益臺(tái)階變化平穩(wěn)。而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的放大器的增益變化線性度較低，并且增益臺(tái)階的波動(dòng)較高。

在低頻段中，放大器的增益隨控制碼波動(dòng)的工作頻率是150 MHz，在該種情況下兩種放大器的增益控制和增益臺(tái)階的狀態(tài)如圖8所示。能夠看出，相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的放大器，本文放大器的增益變化線性度更高，雖然二者的增益臺(tái)階都出現(xiàn)一定的波動(dòng)，但是本文放大器的增益臺(tái)階的波動(dòng)幅度更低，說(shuō)明本文放大器的控制穩(wěn)定性更高。

2.2 可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃鞯脑肼曄禂?shù)

低頻段中頻率低于100 MHz情況下，噪聲系數(shù)受到噪聲的干擾。高頻段下，隨著頻率的不斷增加，帶寬的約束力不斷增強(qiáng)，增益降低，使得噪聲系數(shù)惡化。高頻段工作頻率是630 MHz情況下，本文放大器和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的放大器的噪聲系數(shù)隨增益的波動(dòng)情況如圖9所示。低頻段，工作頻率是150 MHz的情況下，兩種放大器的噪聲系數(shù)隨著增益的波動(dòng)情況如圖10所示。

分析圖9和圖10可以看出，本文設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃髟诟哳l段和低頻段的噪聲系數(shù)隨著增益的下降都呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，抗噪性較高。而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的放大器在高頻段和低頻段的噪聲系數(shù)隨著增益的降低而降低，抗噪性能弱。

2.3 可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃鞯娜A交調(diào)量

在高頻段和低頻段下，本文放大器和傳統(tǒng)放大器在全部增益下的/三階交調(diào)量//P3隨增益的變化分別如圖11和圖12所示。分析結(jié)果可得，本文放大器隨著增益的降低，//P3也逐漸增大。并且當(dāng)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，增益降低，此時(shí)電路由無(wú)源電阻衰減器構(gòu)成，//P3達(dá)到最高值，輸入信號(hào)達(dá)到0 dBm量級(jí)。而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的放大器隨著增益的降低，//P3也降低，說(shuō)明其對(duì)三階交調(diào)點(diǎn)的控制能力較差，穩(wěn)定性弱。

綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，本文設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃髟陔妷涸鲆妗⒃肼曄禂?shù)和三階交調(diào)量等方面的性能都優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的放大器，具有較高的使用價(jià)值。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃靼ǜ咴鲆婺K、中間增益模塊和低增益模塊。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的放大器的電壓增益變化線性度高，增益臺(tái)階變化平穩(wěn)；在高頻段和低頻段的噪聲系數(shù)隨著增益的下降都呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，抗噪性較高，并且能夠避免三階交調(diào)量對(duì)系統(tǒng)信噪比的不利干擾。

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