【摘要】：近年來(lái),超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)因其優(yōu)良的技術(shù)特性得到了快速的發(fā)展。它不僅能較好的解決通信容量與速率的問(wèn)題而且能緩解當(dāng)今日益緊張的頻譜資源問(wèn)題,在未來(lái)通信技術(shù)中展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。與此同時(shí),超寬帶無(wú)線通信技術(shù)也對(duì)射頻前端電路的設(shè)計(jì)提出了一定的挑戰(zhàn),尤其是位于射頻電路最前端的低噪聲放大器(LNA,Low Noise Amplifier)的設(shè)計(jì)。為了給出符合指標(biāo)要求的LNA電路結(jié)構(gòu),文中首先討論了低噪聲放大器的分析方法,然后有針對(duì)性的研究了實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器寬帶輸入匹配的技術(shù)、高頻增益補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)和線性度優(yōu)化的技術(shù)等,并給出了理論分析。最終所設(shè)計(jì)的超寬帶低噪聲放大器,核心電路采用共射共基結(jié)構(gòu),以降低米勒效應(yīng)提升寬帶性能;射極負(fù)反饋電阻用于矯正雙極晶體管的非線性,提高LNA的整體線性度;超寬帶的輸入匹配采用電阻負(fù)反饋加前置無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn);輸出負(fù)載中采用了并聯(lián)峰值電感,用以克服極點(diǎn)造成的增益滾降,保持高頻增益;放大器核心電路與輸出port之間插入無(wú)源網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)超寬帶的輸出匹配和較高的1dB壓縮點(diǎn)特性。帶隙電路的核心部分采用了傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高溫段和低溫段電流補(bǔ)償電路,進(jìn)一步提高了帶隙電路輸出偏置電流的溫度穩(wěn)定性。針對(duì)以上設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu),文中從輸入匹配、增益、噪聲和線性度方面做了詳細(xì)的理論分析與推導(dǎo),并基于0.18μm SiGe BiCMOS工藝在Cadence環(huán)境下進(jìn)行了電路搭建、前仿真、版圖的設(shè)計(jì)和后仿真過(guò)程。經(jīng)過(guò)迭代設(shè)計(jì),最終的后仿真給出了良好的結(jié)果:在整個(gè)C-Ku的頻率范圍內(nèi)輸入端回波損耗在-15dB~-11dB之間變化,實(shí)現(xiàn)了良好的輸入匹配;增益在4GHz時(shí)為16dB,隨頻率逐漸升高,到18GHz時(shí)達(dá)到17.8dB,帶內(nèi)增益波動(dòng)為1.8dB;通過(guò)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換作用,輸出端在整個(gè)頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于-12.5dB的匹配;頻段內(nèi)噪聲系數(shù)小于3.3dB,達(dá)到了較好的噪聲水平;同時(shí)設(shè)計(jì)的低噪聲放大器還實(shí)現(xiàn)了-12dBm@15GHz的輸入1dB壓縮點(diǎn),達(dá)到了項(xiàng)目指標(biāo)要求。該LNA工作在3.3V的電源電壓下,直流功耗為57mW。文中還給出了Monte Carlo分析和溫度掃描。結(jié)果表明當(dāng)存在工藝波動(dòng)和失配時(shí),低噪聲放大器的輸入和輸出匹配在整個(gè)C-Ku頻段內(nèi)都滿足小于-10dB的匹配要求,所有曲線在任何頻點(diǎn)的增益都不小于15dB,噪聲系數(shù)優(yōu)于3.5dB;在10GHz輸入信號(hào)頻率下,對(duì)LNA的溫度掃描結(jié)果表明,在-50~100攝氏度的溫度范圍內(nèi),輸入匹配-10.6dB,輸出匹配-14.2dB,增益14.7dB,NF4dB,得到了較好的溫度特性。
【圖文】：

8功率譜密度。圖2.3 噪聲和其功率譜密度功率譜密度概念的最大價(jià)值是將系統(tǒng)對(duì)噪聲的處理過(guò)程等效于系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程。一個(gè)輸入噪聲電壓具有圖 2.3 所示的功率譜密度，那么經(jīng)過(guò)系統(tǒng)H ( f )的處理，在系統(tǒng)輸出端呈現(xiàn)的噪聲功率譜密度可以表示為：2( ) ( ) ( )out xS f S f H f(2-8)這不僅量化了系統(tǒng)對(duì)噪聲的處理過(guò)程，還統(tǒng)一了噪聲與信號(hào)的運(yùn)算，極大地方便了電路噪聲性能的分析。電路呈現(xiàn)噪聲的根源在于組成電路的器件存在噪聲，在本文設(shè)計(jì)的超寬帶低噪聲放大器電路中，噪聲貢獻(xiàn)最大的三類器件分別為電阻、電感和雙極型晶體管，接下來(lái)分別進(jìn)行分析。（1）電阻噪聲微觀世界的粒子總是在進(jìn)行著無(wú)休止的雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)，在熱激發(fā)下，電阻中的電子也同樣如此，這造成了電阻兩端的瞬時(shí)電壓在 0V 附近做上下波動(dòng)。將電阻的噪聲源等效為一串聯(lián)電壓源

電阻也會(huì)進(jìn)一步增大電感的等效串聯(lián)電阻，進(jìn)而增大電感噪聲水平，當(dāng)電感用于輸入端匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要特別注意其引入的噪聲。圖2.4 電感寄生電阻電感產(chǎn)生的噪聲可以簡(jiǎn)單的理解為其寄生電阻產(chǎn)生的熱噪聲，表示為：2,4n L Lv kTr f (2-10)CircuitblockRsrLL2n ,Rsv2n ,rLv圖2.5 電感用作輸入端匹配簡(jiǎn)圖為了更充分的理解電感作為輸入端匹配器件對(duì)噪聲系數(shù)帶來(lái)的影響，考慮圖 2.5所示電路。其中電感 L 位于電路模塊的輸入端用于輸入匹配，，電阻Lr 為電感的寄生電阻。由于電感寄生電阻產(chǎn)生的噪聲源2n ,rLv 與源阻抗產(chǎn)生的噪聲源2n ,Rsv 為直接串聯(lián)，因此可以很容易得到整個(gè)電路的噪聲因子：2,14n cLs srvNFR kTR (2-11)
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN722.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2589636