基于E-PHEMT的LNA電路的設(shè)計
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引言
lna在今天的通信系統(tǒng)中多用在接收機前端的第一級。它的主要功能是在不添加額外噪聲的情況下盡量放大輸入小信號，從而在低功率點上保證所需的信噪比。另外，對于大信號，lna應(yīng)該盡量做到在不失真的情況下放大輸入信號，因而消除信道串?dāng)_。合適的lna設(shè)計在當(dāng)今的通信系統(tǒng)設(shè)計中占有重要地位。鑒于眼下數(shù)字通信信號的復(fù)雜性，在lna的設(shè)計過程中，需要處理和解決更多的設(shè)計問題。
一份較好的lna設(shè)計需要同時考慮到諸多因素：高增益，低噪聲系數(shù)，良好的輸入輸出匹配，穩(wěn)定性，線性要求。這些因素同樣重要，而且相互之間并不完全獨立。低的噪聲系數(shù)和最佳的輸入匹配在沒有巧妙地反饋回路下幾乎不可能同時獲得。絕對穩(wěn)定在很多情況下需要犧牲一部分增益作為補償。高的ip3需要高電流，而最小噪聲系數(shù)通常要求較低的電流。通過一些辦法可以在低電流情況下獲得較好的ip3。
avagoe-phemt管atf54143的 性能
avago公司的atf54143 e-phemt見圖1、圖2，具有高增益，高線性度和低噪聲的特性，這使得atf54143適用于頻率范圍在450mhz~6ghz無線系統(tǒng)的各種lna電路中。
與典型的d-phemt不同，atf45143并不需要在門級上加負(fù)電壓偏置， 而是在門級加正電壓偏置。因此，atf54143的偏置電路更像是雙極型晶體管的偏置電路。但是與一般的雙極型晶體管不同，它的偏置電壓不是0.7v，而是工作在大約0.6v。
穩(wěn)定性設(shè)計
穩(wěn)定性設(shè)計是lna的設(shè)計中非常重要的一個環(huán)節(jié)，絕對穩(wěn)定是設(shè)計者所追求的目標(biāo)。絕對穩(wěn)定意味著對于任何源端和負(fù)載端的阻抗，電路都不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。而不穩(wěn)定主要由3個原因產(chǎn)生：晶體管內(nèi)部的反饋回路，由外部電路產(chǎn)生的在晶體管外部的反饋支路，以及通帶外的多余的增益。2個常用的穩(wěn)定性因子可以用來表示lna的穩(wěn)定性： 和k，其中 應(yīng)該首先被計算出來，它是計算k的基礎(chǔ)：
對于上面的2個因子，必須同時滿足 <1，k>1，電路才能稱為絕對穩(wěn)定，否則將存在潛在的不穩(wěn)定性。一個更實用的檢測因子是
，判斷準(zhǔn)則是：
需要說明的是還存在 2，但是在 1>1時， 2也必然大于1，因此設(shè)計者只需要考慮穩(wěn)定性判定因子1。
對于非絕對穩(wěn)定的電路，可以在其輸出、輸入端添加電阻或是在放大管的源極對地之間添加一段很短的傳輸線來增加穩(wěn)定性。然而，這些附加的元件會犧牲lna電路的其他性能。
匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計著眼于如何在噪聲系數(shù)盡量小的條件下把晶體管的輸入端匹配到50 輸入阻抗。通常情況，最大增益和最小噪聲系數(shù)不能同時達(dá)到，這就需要在兩者間采取折衷的方案。一般datasheet上會給出放大管的 opt ，相應(yīng)在smith圓上的點對應(yīng)于最小噪聲系數(shù)。通常的做法是在 opt和等增益圓之間任取一個方便計算處理的點，位置記作 s，進而可以得到晶體管輸入端的zs，利用ads軟件提供的smith圓圖工具就可以方便的進行輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的計算。有了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計就可以方便地進行，又通過下面的公式：
與計算輸入匹配網(wǎng)絡(luò)相似，同樣可以利用smith圓來計算輸出匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
線性性能的改進
為了改善電路的線性性能，需要提高電路的ip3，如果提高電路的輸出電流，就會影響電路的其他性能。所以需要采用別的辦法來穩(wěn)定電路的線性性能。
ip3點是通過在電路的輸入端輸入兩個等幅并且有小的頻率偏移信號而形成的。當(dāng)電路接近非線性區(qū)域時，兩個載波將會產(chǎn)生失真產(chǎn)物，如圖3所示。
低頻產(chǎn)物f2-f1將會對lna的基極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極電壓產(chǎn)生調(diào)制。為了改善線性，門極和漏極電壓的波動需要通過添加旁路電容來消除。一般來說，在特定的頻率間隔，旁路電路的阻抗應(yīng)該小于放大管輸入阻抗的25%，對于atf54143來說，我們大致選取hfe為100，這樣對于5mhz的頻率間隔，有如下關(guān)系：
這樣通過上面的辦法就可以在不增加電流消耗的同時改善了ip3，從而改善了電路的線性性能。
完整電路的設(shè)計
設(shè)計的目標(biāo)是一個高性能的工作在1.9ghz頻點的lna射頻電路。該電路設(shè)計的首要問題是需要選取合適的直流工作點。這里選取atf54143的典型直流工作點參數(shù)：v_{dd}=3v，l_{ds}=60ma 。從數(shù)據(jù)手冊上則可以得到相應(yīng)直流工作點的s-參數(shù)。結(jié)合上述設(shè)計原則以及s參數(shù)數(shù)據(jù)，就可以設(shè)計出如圖4所示的lna電路。
電路中r3的計算是基于vds和ids：
vdd是饋電電壓，這里選取饋電電壓為5v；
vds是器件的漏極到源極的電壓，為3v；
ids是所需的漏極電流,為60ma；
ibb是流過r1、r2電阻分壓器的電流，它一般至少為門極漏電電流的10倍，這里選取為2ma。
這樣通過上述參數(shù)，即可計算出r3≈32.3 。
r3旁邊的電容c6即是用來增加線性度的，這里取10,000pf，滿足了以上論述的要求。
考慮到需要在門極加上0.6v的正向偏置電壓，則可計算出r1和r2的值。
r2=frac{vds v_{gs}}{i_{bb}}=frac{3 0.6}{0.002}=1200
r5呈高阻態(tài)，用來抑制門極電流，從而提高了e-phemt的效率，從而選取r5為12k 。
c1、l1為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，c4、l4為輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，c2、c5為相應(yīng)的旁路電容。這里輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)可以利用上述ads中smith圓圖工具來得到。從而得到c1=c4=8.2pf，l1=2.7nh，l4=5.6nh。
只有以上的元件是無法滿足穩(wěn)定性的要求，在ads下仿真得到的穩(wěn)定性因子曲線圖如圖5所示。
由于atf54143無法達(dá)到絕對穩(wěn)定，所以需要增加電阻原件來增加穩(wěn)定性。從穩(wěn)定性因子曲線圖中可以看出不穩(wěn)定性主要集中在低頻端。lna設(shè)計電路圖中r4的選取就是用來增強lna電路的低頻穩(wěn)定性。c3是相應(yīng)的低頻旁路電容。這里由于r4加在輸入端，所以r4的取值不能太大，否則會影響放大器的噪聲性能。
從圖6曲線可以看出，穩(wěn)定性有所增加，但是仍然沒有達(dá)到絕對穩(wěn)定狀態(tài)。所以要繼續(xù)采取其他措施增加穩(wěn)定性。這里可以在放大管源極上加一小段短的傳輸線，起到增加電路穩(wěn)定性的作用。但是要注意，在放大管源極添加傳輸線來穩(wěn)定的方法是以犧牲放大器其他性能為代價的。同時過長的傳輸線增加了電路自激的可能性。
從圖7中可以看出，穩(wěn)定性因子在很寬的頻段內(nèi)均大于1，即在lna電路在這些頻段達(dá)到了絕對穩(wěn)定。
pcb版圖和實物圖
通過上述分析，可以設(shè)計出lna電路的pcb版圖和實物圖，如圖8，圖9所示。
實際性能測試
測試儀器是agilent公司的網(wǎng)絡(luò)分析儀agilent8722es，分析范圍涵蓋了50mhz到40ghz的頻段，因此可以用來測試工作在1.9ghz頻點的lna電路的性能。
從實測數(shù)據(jù)來看（見圖10~圖13），在1.9ghz頻點s21達(dá)到了16.9db，并且在很寬的頻帶內(nèi)有較為平坦的增益；而s12為 31.3db，說明電路有很好的前后隔離性能；s11和s22分別為
9.5db和 22.1db，輸入端有一定的回波損耗，但是考慮到各項指標(biāo)是互相平衡的結(jié)果，lna電路的總體性能已經(jīng)可以令人滿意。
結(jié)束語
本文基于 e-phemt放大管討論了lna電路的設(shè)計方法，從中可以看到使用avago公司的atf54143可以比較輕松滿足設(shè)計者追求的設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計者通過ads仿真和以上所討論的設(shè)計原則就可以得到性能滿意的lna電路。
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