CDMA射频前端低噪声放大器电路设计研究
1、引言
射频前端低噪声放大器（lna）电路是无线电设备前端电路设计中的重要内容。由于实际的无线电传播环境通常较为恶劣，因此，其射频前端电路中必须考虑采用lna。lna作为射频模块中的关键电路，其噪声大小直接影响着接收机的性能。另一方面，lna的设计也是无线电设备相关电路设计中最具有挑战性的内容之一。这主要表现在它同时需要满足高增益、低噪声、良好的输入输出匹配和在尽可能小的工作电流时的无条件稳定性。
作为移动通信标准之一的cdma2000，是第三代移动通信系统的一个重要技术标准，在世界范围内得到广泛的重视。事实上，lna电路的设计是这一标准下基站电路设计的主要内容之一。同时，由于移动通信设备应用场合以及cdma2000多址方式的特殊性，抑制干扰/噪声、提升增益并保持其稳定性，是相关电路设计的基本出发点。因此，可以结合cdma2000基站lna电路的设计问题，探讨一般情形下射频lna电路设计的若干关键问题及其解决途径。这同时也为一般性问题的讨论提供了实际应用的背景。
2、射频lna电路设计中的若干问题 低噪声放大电路的设计，首先应同时应着眼于低噪声和高增益两方面的要求。在高增益的情形下，从其性能的可靠性出发，必须兼顾电路的稳定性。为了实现在实际电路设计中对这些因素的综合考虑和折中处理，首先对有关问题逐一加以讨论。
2.1 噪声问题及其处理办法
导致放大电路噪声特性变差的主要噪声来源包括闪烁噪声、热噪声和散弹噪声。其中，闪烁噪声又称为1/f噪声，其取值与半导体材料有关，功率谱密度与频率成反比。因此，在射频情况下可以不予过多考虑。热噪声是电子热运动所引入的噪声，主要受控于环境温度，与电流无关。在射频情形下，这一噪声受外场频率升高的作用，其量值将随频率的升高而明显增大。散弹噪声不直接受温度的影响。散弹噪声的大小正比于工作电流。综上所述，射频低噪声放大电路中作为对噪声的抑制，主要应考虑对热噪声和散弹噪声的抑制。
一般地，噪声问题可以通过选择低噪声器件、降低电路插损、改善线性度，以及降低电路功耗等方式加以有效解决［1］。注意，包括低噪声器件的选择在内，上述方法大都与电路的具体设计有关。因此，在实际设计中应根据相关指标要求，灵活应用上述处理方法。
2.2 增益问题及其处理办法
为了实现电路的高增益（一般都在几十db），通常需要采用多级放大电路，如图1中所示的两级放大电路。这一处理方法在实践中得到了广泛应用。
图1 两级放大电路模型
为了兼顾对噪声问题的考虑，应对多级放大电路的噪声和增益加以统一考虑。对m级放大器，其总噪声系数由各单级电路的噪声系数nf和增益av决定［2］，即
由于各单级放大电路的放大倍数一般都远大于1，显然，多级放大电路总的噪声系数主要由前级电路决定，最前级电路的噪声大小成为影响整个电路的主要因素。为此，应当通过选择低噪声器件等方式，使前级电路的噪声得到抑制。同时，折中考虑放大级数、单级放大倍数等的选择。
为了获得lna电路最大增益输出，输入输出必须阻抗匹配。对实际的lna放大电路，其输入输出阻抗一般都设计为50ω从噪声的角度看，可以通过天馈端与lna电路输入端之间的共轭匹配来实现能量的最佳传输。
2.3 稳定问题及其处理办法
电路的稳定性也是lna电路必须考虑的，特别是在放大器的设计中，必须保证放大器的稳定性，以避免可能出现的自激，稳定性判据如下［2］：定义
式中δ=s11s22-s12s21
如果k》1且|δ|《1，则电路对任何信号源和负载阻抗是绝对稳定的;如果k《1或|δ|》1，则电路存在潜在的不稳定性［3］。对于某些信号源或负载阻抗会出现自激现象，这种情况并不意味着电路不能工作，但需慎重选择信号源和负载阻抗。所以，在进行电路设计时，必须测量相关元件的s参数。
改善电路的稳定性通常可采用四种阻抗连接，其连接方式如图2所示。图2（b）电路是在电路的输入端接上一个转移电阻来改善稳定性。ads仿真改善前和改善后的k-f特性如图3所示（其中，k代表稳定系数）。
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2、射频lna电路设计中的若干问题 低噪声放大电路的设计，首先应同时应着眼于低噪声和高增益两方面的要求。在高增益的情形下，从其性能的可靠性出发，必须兼顾电路的稳定性。为了实现在实际电路设计中对这些因素的综合考虑和折中处理，首先对有关问题逐一加以讨论。
2.1 噪声问题及其处理办法
导致放大电路噪声特性变差的主要噪声来源包括闪烁噪声、热噪声和散弹噪声。其中，闪烁噪声又称为1/f噪声，其取值与半导体材料有关，功率谱密度与频率成反比。因此，在射频情况下可以不予过多考虑。热噪声是电子热运动所引入的噪声，主要受控于环境温度，与电流无关。在射频情形下，这一噪声受外场频率升高的作用，其量值将随频率的升高而明显增大。散弹噪声不直接受温度的影响。散弹噪声的大小正比于工作电流。综上所述，射频低噪声放大电路中作为对噪声的抑制，主要应考虑对热噪声和散弹噪声的抑制。
一般地，噪声问题可以通过选择低噪声器件、降低电路插损、改善线性度，以及降低电路功耗等方式加以有效解决［1］。注意，包括低噪声器件的选择在内，上述方法大都与电路的具体设计有关。因此，在实际设计中应根据相关指标要求，灵活应用上述处理方法。
2.2 增益问题及其处理办法
为了实现电路的高增益（一般都在几十db），通常需要采用多级放大电路，如图1中所示的两级放大电路。这一处理方法在实践中得到了广泛应用。
图1 两级放大电路模型
为了兼顾对噪声问题的考虑，应对多级放大电路的噪声和增益加以统一考虑。对m级放大器，其总噪声系数由各单级电路的噪声系数nf和增益av决定［2］，即
由于各单级放大电路的放大倍数一般都远大于1，显然，多级放大电路总的噪声系数主要由前级电路决定，最前级电路的噪声大小成为影响整个电路的主要因素。为此，应当通过选择低噪声器件等方式，使前级电路的噪声得到抑制。同时，折中考虑放大级数、单级放大倍数等的选择。
为了获得lna电路最大增益输出，输入输出必须阻抗匹配。对实际的lna放大电路，其输入输出阻抗一般都设计为50ω从噪声的角度看，可以通过天馈端与lna电路输入端之间的共轭匹配来实现能量的最佳传输。
2.3 稳定问题及其处理办法
电路的稳定性也是lna电路必须考虑的，特别是在放大器的设计中，必须保证放大器的稳定性，以避免可能出现的自激，稳定性判据如下［2］：定义
式中δ=s11s22-s12s21
如果k》1且|δ|《1，则电路对任何信号源和负载阻抗是绝对稳定的;如果k《1或|δ|》1，则电路存在潜在的不稳定性［3］。对于某些信号源或负载阻抗会出现自激现象，这种情况并不意味着电路不能工作，但需慎重选择信号源和负载阻抗。所以，在进行电路设计时，必须测量相关元件的s参数。
改善电路的稳定性通常可采用四种阻抗连接，其连接方式如图2所示。图2（b）电路是在电路的输入端接上一个转移电阻来改善稳定性。ads仿真改善前和改善后的k-f特性如图3所示（其中，k代表稳定系数）。
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