宽带LNA设计

Posted 2021-11-22 硬件老钢丝

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了宽带LNA设计相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、基础概念介绍

宽带低噪声放大器可以多种方式设计，不同类型的结构在应用中有优点也有缺点，在应用中亦有不同的解决方案。其中，负反馈结构的放大器由于简单的结构、平坦的增益响应，易于在宽带范围内降低输入、输出电压驻波系数等优点可到了广泛应用。本文就是采用负反馈技术来拓宽频带宽度，下面首先对负反馈技术作简单介绍。

（一）负反馈技术

负反馈的含义就是晶体管的输出端口信号流经某一特定回路，回到晶体管的输入端口，并与输入端口信号相互反相叠加运算，减小晶体管输入端口的信号幅度。反之，若反馈回去的信号与输入端口信号正相叠加运算，那么晶体管输入端口的信号幅度将加强，称其正反馈。

负反馈技术可以在低频段将与输入信号反相的输出信号耦合到输入端口处，使其与输入信号反相叠加运算，减小晶体管输入端口的信号幅度，减小低频带的增益；在高频段，将与输入信号同相的输出信号耦合到输入端口处，使其与输入信号同相相叠加运算，增强晶体管输入端口的信号幅度，进而提高高频段增益，这样就使得放大器的增益在宽频带内变得平坦。同时，负反馈技术还有提高放大电路的稳定性、减小输入输出驻波比等优点。但是，负反馈技术也有其缺点，那就是反馈回路中的电阻将会减弱放大器的输出功率，并且会使放大器的噪声系数有所增大。

常用的放大器负反馈技术主要有两类，一种类型是串联负反馈，另一种类型则是并联负反馈

1、并联负反馈

并联负反馈原理是将RLC串联网络并联连接到晶体管的漏级和栅极之间，在低频段时，反馈信号可以通过电感＂进入输入端口，此时起主要作用的是电阻Rf．可以通过调节电阻Rf的大小来控制反馈量的多少，以达到压低低频增益的目的；在高频段时，由于电感Lf的高阻特性，使得高频反馈信号反馈量减弱，同时由于高频反馈信号与输入端口信号相位差小于90度，这使得通过两者叠加运算后，提高了高频增益，也使增益平坦度得到了提高。电容Cf是隔直电容，以防偏置电流进入晶体管的输入端，同时隔直电容Rf的引入同时考虑了反馈电路和直流偏置电路，将会影响放大器增益的频率响应，可以通过调节电容值的大小调节负反馈回路的相位

下面运用PHEMT的等效电路来分析反馈电阻凡对于增益的影响，等效电路模型如图：晶体管小信号负反馈等效电路：

晶体管漏源电容Cgs在反馈电路中可以忽略不计，因此，等效电路的导纳矩阵可以用以下关系表示：

通过推导导纳矩阵和S参数之间的关系，可得到相关S参数如下：

其中Z0是特征阻抗，Rf是并联反馈电阻。
理想情况下，如果输入匹配网络是匹配的，那么就会有S11=S22=0，经整理可得：

从式中可以看出，负反馈放大器的增益只与并联反馈电阻值Rf的大小有关，而与频率无关。

举个例子：
如果设计增益为15dB，

同时，在高频段需要考虑晶体管的寄生参数，由此增加了一个与反馈电阻Rf串联的电感Lf，该电感Lf的作用是减小反馈环在高频段的反馈量，以补偿Rf带来的S21在高频段减小的附加影响。

Cf的值通过调谐得到。

2、串联负反馈

对于串联负反馈，电阻Rs可以作为一个偏置网络稳定放大器的静态工作点，电容Cs的取值要对工作频段内的信号实现对地短路，此时电阻Rs和电容Cs体积必须尽量小，必须要和晶体管的管脚紧密相连，否则就有可能构成传输线效应，对电路的匹配产生影响，串联负反馈可以增大工作频段内放大器端口阻抗的实部进而提高放大器的工作稳定性，缩小最佳噪声阻抗和端口阻抗的差异，便于在进行最小噪声匹配的同时实现较好的输入输出阻抗匹配，实际上，通常采用一段微带线来代替电阻Rs,并通过大量仿真找到合适的微带线阻抗蓉儿改善输入阻抗，提高稳定性，且不降低高频段增益。

（二）、稳定性系数

放大电路的稳定状态分为两种，一种是绝对稳定状态，另一种是条件稳定状态，一般我们要求放大器工作在绝对稳定的状态下。对于二端口网络而言，一般使用Ｋ准则来判定放大器是否居于绝对稳定，其公式为
为了将放大器振荡的可能性降到最低，通常要求K>1，式2 绝对值<1这两个条件同时成立，放大器的稳定性与S参数、偏置电路和频率等有关。