浅谈共基差分低噪声放大器设计

时间：2011-08-26

　　无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽，通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。无线通信（Wireless Communication）是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展快、应用广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。从初的电报开始经过150多年的现代电信的发展是来自各界的成千上万科学家、工程师和研究人员的辛勤劳动的结果。他们当中只有少数独立负责发明的人成了名，而大多数达到顶点的发明是许多个人的成果。这里汇集了部分对于无线电通信发展中起到重要作用的历史人物。

　　在无线通信终端中，低噪声放大器是射频接收系统中的级有源电路，主要功能是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。低噪声放大器在提供增益的同时，应尽可能地减少噪声，以及完成接收大信号不失真和好的线性度。

　　低噪声放大器的输出电压直接反映到自动增益控制电路的输入端，根据输出电压幅值的大小，自动增益控制电路的输出电压反馈到低噪声放大器的增益控制电路比较器的输入端，进而影响放大器的总体增益。

　　1 低噪声放大器设计中的噪声问题

　　常见的噪声源是平带（Flatband）噪声，也称白噪声。白噪声是指在较宽的频率范围内，各等带宽的频带所含的噪声能量相等的噪声。一般在物理上把它翻译成白噪声（white noise）。白噪声或白杂讯，是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程。换句话说，此信号在各个频段上的功率是一样的，由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作白噪声。相对的，其他不具有这一性质的噪声信号被称为有色噪声。理想的白噪声具有无限带宽，因而其能量是无限大，这在现实世界是不可能存在的。实际上，我们常常将有限带宽的平整讯号视为白噪音，因为这让我们在数学分析上更加方便。然而，白噪声在数学处理上比较方便，因此它是系统分析的有力工具。一般，只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽，并且在该带宽中其频谱密度基本上可以作为常数来考虑，就可以把它作为白噪声来处理。例如，热噪声和散弹噪声在很宽的频率范围内具有均匀的功率谱密度，通常可以认为它们是白噪声。散粒噪声计算公式：

　　式中，q为电子电荷，ID为正向结电流，△f是单位频率的噪声频宽。

　　可以看出，散粒噪声与结电流的平方根成正比，与频率大小和温度无关。将散粒噪声电流乘以动态结阻抗，可将散粒噪声表达为噪声电压。

　　热噪声是由器件内的载流子随机运动产生的。任何元器件，只要有直流电阻，就存在热噪声（交流电阻是一个等效的概念，不单独产生热噪声）。由于噪声过程是随机的，它的幅值符合高斯分布，表征热噪声通常的方法就是测量其产生噪声的器件的平均噪声功率。

　　其噪声功率公式如下：

　　式中，K为波尔兹曼常数，K=1.38x10-23J／K，T为温度，△f是单位频率的噪声频宽。因此，热噪声与频率大小无关。

　　电阻的热电压是电阻、温度和测量带宽的函数：

　　式中，En为在给定温度下电阻R在带宽△f上电路产生的RMS（均方根）噪声电压。

　　式（3）两边除以电阻值后即得诺顿等效噪声源：

　　按1 Hz带宽对RMS噪声电压和噪声电流进行归一化，即可得到频谱密度：

　　与散粒噪声电流的情况一样，如果信号幅度增大比噪声更快，则可通过增加噪声的幅度来提高电路的性能。

　　2 低噪声放大器的设计

　　2.1 低噪声放大器电路的结构设计

　　两种常见的低噪声放大器分别为：双极型输入和CMOS输入。传统上，CMOS放大器以低输入偏置电流而闻名，却总是受高电压噪声所累。典型的CMOS放大器的平带噪声为几十nV／Hz，1／f噪声的峰至峰值范围为几微伏。

　　在射频范围内，MOS管的主要噪声源为沟道热噪声、栅感应噪声与栅分布电阻热噪声。由于MOS晶体管的沟道电阻产生比较大的热噪声，所以选择双极输入会得到一个相对较好的噪声系数。低噪声双极型放大器，可提供极低的输入电压噪声密度和相对较高的输入电流噪声密度。

　　单端LNA结构对于接地的寄生电感非常灵敏。差分结构由于对称点上的增量（交流）接地，不会受到电流源接地回路中寄生参数的影响。差分结构的另一个重要优点是它有抑制共模干扰的能力。这一考虑在混合信号应用中特别重要，因为无论是电源电压还是衬底电压都可能含有噪声。为使在高频时的共模抑制比，关键是要使版图尽可能地对称。双极型LNA共基极结构相对于共射极电路具有三个显着的优点：更为简单的输入匹配、更高的线性度和更大的逆向隔离，所以电路采用共基极输入。

　　2.2 低噪声放大器的电路设计

　　低噪声放大器整体结构如图1所示，电路分为3部分，其中模块VGLNA是可控增益放大器，这部分的增益可以改变。模块CON1和CON2为增益控制电路，通过AGC的控制电压来调整VGLNA的增益。对模块VGLNA的设计目标是使增益达到25 dB以上。

　　2.2.1 可变增益放大器的设计

　　可变增益放大器的电路如图2所示，模块VGLNA采用两级放大，整个电路的增益主要来自级由VQ1、VQ2组成的共基放大器，射频信号RFI1和 RFI2分别由VQ1和VQ2的射极输入。第二级为射随放大器电路，具有高输入电阻、低输出电阻和近似为单位1的电压增益。

　　设连接VQ1、VQ2集电极的串联电阻为RC，连接VQ1、VQ2发射极的串联电阻为RE。RE用来设置合适的工作点，而RC则是把输出电流转换为电压。室温下，VQ1、VQ2的单管增益为：

　　输入管VQ1、VQ3的基极电压与集电极电流的关系如图3所示，可以看出基极电压与电流的关系。假设VQ3、VQ4不工作，即VIN2的电压值小于0.9 V。若流过VQ1的电流Ic为340 μA，Rc为2 kΩ。则Av=24，即VQ1，VQ2的单管增益为27 dB。

　　RFI1、RFI2输入信号的工作点电压为：

　　VQ3、VQ4管的作用是通过分流减小VQ1、VQ2管的增益。升高IN2点的电压可使VQ3、VQ4管导通。改变VIN1，VIN2的电压值，使流过 VQ1的电流减小，流过VQ3的电流增大，VQ1管增益减小。为满足增益变化，且输出不大于100 mV的限制，要求控制电压VIN1的变化范围为1.7l～1.69 V，VIN2的范围为0.9～1.71 V。

　　2.2.2 增益控制级的设计

　　模块CON2是一个比较器电路，通过改变输入VAGC_N和VAGC_P的电压值，对VIN1和VIN2进行控制。根据VGLNA的目标要求，VIN1的变化范围为1.7l～1.69 V，VIN2的范围为0.9～1.71 V，模块CON2的输出要达到这个要求。

　　2.2.3 增益控制级CON1的设计

　　模块CON1的作用是对VIN1和VIN2的值进行反馈控制。CON1的电路如图4所示，IN1，IN2作为模块CON1比较器的一个输入电压VN，与另一端的基准电压VR进行比较。假设VIN2=0.9 V，即VQ2管不工作，同时模块CON2的VQ12管也不工作。由于节点IN1的电平VIN1较低，导致VN>V R，I1I3，要从CON2的比较器的节点OUT中抽取一部分电流Io，等效于CON2的比较器多了一个电流源。这样流过VQ11一路的电流增大，VIN1也增大。VIN1反馈到CON1的VQ1管，使VN逐渐接近基准电压VR。