三级级联低噪声放大器方案设计

　0 引言

　　在现代雷达接收机中，应用最广的结构是超外差结构。在该结构中，单片系统往往需要片外滤波器去除镜像信号，例如SAW滤波器，因而给系统的集成度带来影响。为了达到一定的镜像抑制比，而又不使用片外滤波器，通常使用镜像抑制混频器能提供60 dB左右的抑制度。但现代雷达接收机至少需要80 dB的抑制度，这就给镜像抑制混频器的设计增加了难度。

　　为解决该问题，研究工作主要集中在镜像抑制LNA的设计上。从文献中，可以看到通过LNA与陷波滤波器(notch filter)的连接，其单片LNA的抑制度分别达到20 dB和75 dB。本文结合雷达接收机中LNA的指标，通过设计电路结构提高抑制度，与后级的镜像抑制混频器连接达到了较高的镜像抑制比，提高了整个雷达接收机对镜像信号的抑制度。

　　1 陷波滤波器

　　在本文中，对低噪声放大器的要求是工作频段为S频段，噪声系数FN为2～3 dB，功率增益在30 dB以上，输出1 dB压缩点不低于10dBm，工作电压为5 v。针对以上要求，采用的LNA基本结构为发射极电感负反馈。式(1)表明，选择适当的感值就能使端口得到匹配，最重要的是，这种结构在信号的通道上避免了噪声电阻，大大降低了噪声系数，如图1所示。

　　陷波滤波器分为有源和无源2种结构，为减少设计的复杂度，在镜像抑制LNA设计中，采用无源结构，如图2所示，其中包括了C1，C2和L1 3个无源元件(L1中寄生电阻值为RL1)。

　　2 LNA设计分析

　　LNA的性能很大程度上决定了雷达接收机的性能指标。为了满足设计指标中的功率增益，实际的LNA采用三级级联的方式设计。

　　式中：Fn，GAn，(IIP3)n分别为LNA每级的噪声系数(这里n=1，2，3)，功率增益和三阶交调参数。

　　从式(6)、式(7)不难得出：

　　(1)降低模块的噪声系数，主要是降低前级电路的噪声系数;

　　(2)为了降低后续电路的噪声对整个模块的噪声影响，前级模块需要提供适当的增益;

　　(3)要提高模块的线性度，除了提高各级电路的线性度之外，各级的增益不能太高。

　　为了满足整个LNA的噪声要求，第一级放大器应主要面向优化噪声设计，以得到最小的噪声系数，整个系统的噪声系数基本取决于第一级的噪声系数。第二级放大器应在面向噪声优化的同时，提供一定的增益和线性度，以避免整个放大器的增益过低。第三级放大器主要面向线性度的优化，通过诸如增大发射极电感的大小和晶体管偏置电流等手段，可以有效地提高1 dB功率压缩点输出功率，但是增益会受到一定的影响。

　　基本放大器采用共源共栅结构，既可以增加输入/输出的隔离度，又降低了Ld1和M2间的Miller效应。同时，M1与M2之间接入电感Ld1，有助于改善放大器的增益和噪声情况。

　　在三级电路设计中，最复杂的是第三级电路。第三级放大器要满足1 dB功率压缩点输出不小于10 dBm的要求，因此主要是面向优化线性度设计。放大器的电路图如图3所示，放大器的输出功率三阶交调点可以由式(8)来估计：