接收机中LNA的稳定性设计2..doc

接收机中LNA的稳定性设计 韩艳伟 （杭州电子科技大学电子信息学院，310018） 摘要：本文阐述了LNA的稳定性条件，讨论了稳定放大器的四种方法。然后本文结合具体的射频晶体管，利用ADS软件进行稳定性设计和仿真，提出了四种稳定电路，并分析和讨论了这四种电路的优缺点。 关键词：稳定性、ADS、LNA、S参数 0 引言 在接收机的设计中，低噪声放大器即LNA是重要的一环，接收机系统的噪声系数主要取决于前级低噪声放大器的噪声系数，因此LNA设计的好坏关系到了接收机系统的噪声性能和灵敏度。随着通信技术的发展，频谱资源越来越紧张，由此带来的邻道干扰越来越严重，而这对 LNA设计的影响是设计者不得不考虑全频域范围内的稳定性，以防止潜在的振荡。在LNA的设计中，放大器的稳定性和增益是要均衡考虑的问题，因为在放大器中加入一定的稳定环节必然会引起最大资用增益MAG的下降。由于放大器在潜在不稳定的频率震荡起来，小信号S参数将不适用，原先设计的电路性能必将发生变化，噪声也会越来越大，放大器中会发生输入信号和振荡频率的混频并出现在输出端，这种振荡甚至会损坏器件。根据器件的小信号S参数，采用商用的微波电路设计软件，可以分析出器件的全频域的稳定性。这为我们进行LNA稳定性设计提供了有利的参考条件。 1 放大器的稳定性原理 放大器稳定所需要的条件是：，及。其中，（1）， （2）。这里假定源和负载均为无源网络，如果不是无源网络的话，则要求源和负载的反射系数小于1。 通常判断稳定的一个简单的方法就是因子，即（3），其中。它的物理含义是Smith圆图原点到负载稳定圆（即负载平面上的圆）的不稳定区域的距离。显然，当时，Smith圆图的单位圆范围内均为稳定区域，因而有源器件处于无条件稳定。另外因子越大，有源器件就越稳定，因子可以成为判断器件稳定程度的一种度量。由(3)式可知，因子与有源器件的S参数有关，而器件S参数是关于器件的直流偏置、工作温度及信号电平的函数。当上述因素发生变化时，因子也随之发生变化。因此在设计电路的时候，要充分考虑到电路的工作环境及元件的参数变化对LNA正常工作的影响。最重要的一点是，关于因子，要留有一定的稳定裕量。 对于潜在不稳定的晶体管，稳定的措施主要包括： A.在输入端串接或并接电阻，这种方式的缺点是会使器件的噪声性能恶化，噪声系数增大； B.在输出端串接或并接电阻，这种方式相比A方案来说在噪声性能上有较大的改善； C.负反馈，引入适当的负反馈有利于器件的低频稳定，此时输出端与输入端有的相差，而到了高频以后，输出端与输入端的相位差将逐渐缩小到以内，这时负反馈将变成正反馈，在高频段将会出现潜在的不稳定，此外负反馈还恶化了器件的噪声性能。值得注意的是过度的负反馈有可能会减弱放大器的稳定性。 D.在输入输出端口加隔离器，隔离器的使用，降低了S的幅值，增加了放大器的稳定性。但这种方式产生了电路体积过大的缺点。 2 实例 本文以Infineon BFP405晶体管为例，通过ADS软件仿真，具体讨论放大器稳定性与增益、最小噪声系数之间的关系。BFP405偏置在V，Ic=2mA的条件下，设定中心频率点为880Mhz，并要求放大器在0~6Ghz范围内处于稳定。 通过在ADS中进行S参数扫描，我们获得了器件的S参数随频率变化的列表，如图一所示。和的模值均小于1，并随频率增加而减小；的模值非常小，但是却不能忽略不计，因为相位值为正且小于，这相当于一个正反馈，会使器件处于潜在不稳定状态，而事实正如我们所设想的那样，因子在低频RF段很大范围内都小于1；的模值随着频率的增加也在不断的减小，因此不难理解最大小信号增益MAG的下降。 图一 BFP405的S参数扫描 由于BFP405从0直到6Ghz都处于潜在不稳定状态，并且通过观察输入和输出稳定圆图可知：在输入稳定圆图上，开路点和短路点均处于不稳定区，因此无法在输入端通过串接或并接电阻实现0~6Ghz器件范围内的稳定；而在输出稳定圆图上，如图二所示，开路点处于潜在不稳定状态，而短路点处于稳定状态，因此可以通过在输出端并接一个电导G=0.07S(或者R=143)使得0~6Ghz范围内处于无条件稳定,通常为了保持一定的稳定裕量，电导要增加10%~20%，也即电阻减小相同的量。稳定前后的参数对比如图三所示，其中红线为稳定后的,蓝线为稳定前的。稳定后，在880Mhz处最大可用增益MAG为21.641dB，比稳定前下降2dB，最小噪声系数NFmin为1.128dB，相比稳定前只有微弱的下降。 图二 输出稳定圆图 图三 上述电路的缺点是增加了额外的直流损耗。在上述稳定电路的基础上，本文提出了这种电路的四种变形，如图四所示。在观