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一种射频宽带低噪声放大器的设计王一冰;彭安金【摘要】提出了一种射频宽带低噪声放大器的实现方式,使用宽带电流反馈型运放和宽带低噪声电压反馈型运放完成了0dB～60dB增益连续可调.由于输入信号幅度小、带宽宽,系统通过屏蔽盒进行处理提高了自身的稳定性和抗干扰能力.输入电压最小峰峰值2mV,3dB带宽达0.3MHz～150MHz,最大输出正弦波有效值1.8V,在1MHz～100MHz频带内增益起伏小于1dB,性能优良,可广泛用于电子对抗、战术武器制导以及无线通信中.【期刊名称】《西南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(041)003【总页数】8页(P383-390)【关键词】射频放大器;宽带;小信号放大;增益可调【作者】王一冰;彭安金【作者单位】西南民族大学电气信息工程学院,四川成都610041;西南民族大学电气信息工程学院,四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TN722(西南民族大学电气信息工程学院，四川成都 610041)宽带射频放大器广泛应用于雷达搜索探测、无人机侦察、卫星通信、电子对抗、战术武器制导以及民用无线通信中，其性能好坏直接影响到整个系统的水平，因此成为诸多射频系统设计的关键.宽带放大器常用的形式有平衡结构式放大器、负反馈式放大器、有源匹配电路、电抗网络匹配、宽带电阻匹配、分布式放大器等[1].其中负反馈式放大器具有如下明显的优点:降低放大器对有源器件性能变化的敏感度；获得较好的输入阻抗匹配和较低的噪声系数；增加放大器的稳定性和线性度等[2].因此，负反馈技术被广泛地运用于宽带放大器的设计当中.现有的移动电视中数字增益可配置的射频放大器增益调节范围比较小[3].一种新的方法是采用射频自动增益控制放大器提高动态范围[4]，当射频输入受到强干扰时，自动降低增益以免信号链路饱和，下变频后通过中频滤波器滤除干扰，以达到抑制干扰的同时不减少有用信号信噪比的目的.因此宽带射频放大器的带宽、高增益、增益平坦度、动态范围就成为设计的关键性指标.本宽带射频放大器要求达到指标如下:(1)电压增益≥60dB，输入电压有效值≤1 mV.电压增益在0～60dB范围内可调.(2)放大器BW-3dB的频率下限≤0.3MHz，上限≥100MHz，在0.3MHz～80MHz内增益起伏≤1dB；在50欧负载上最大输出正弦波电压有效值≥1V.1.1 增益可调设计方案一:电阻网络衰减.通过前级放大电路进行增益放大，后级由电阻网络衰减，实现0～60dB范围内宽带增益可调.方案二:采用压控放大器.采用压控放大器(VGA)，其增益可由外部电压控制，实现一定范围内增益步进可调.方案三:采用程控衰减器.其衰减倍数可程控，实现步进的衰减.方案一采用电阻网络衰减，步进大难以做到连续衰减，而且存在负载效应影响精度.方案二采用VGA实现增益可调，但VGA方式带宽受到限制，难以实现150MHz.方案三采用程控衰减器.综合考虑，本次设计采用方案三，结合前级增益变化，后级由数字步进衰减器实现增益可调.1.2 放大器的宽带高增益设计按照指标的要求，信号通频带0.3～100Mhz最大电压增益Av≥60dB，增益带宽积达到100GHz，单级放大甚至两级放大都是难以做到的.因此通过将单级增益保持在 20dB以下，采用多级级联的方式实现60dB的目标.本系统中，采用两级固定增益实现30dB放大(后级50欧负载实得增益)，中间级实现 0～50dB放大(后级50欧负载实得增益)，末级-30dB～-60dB的衰减和0～20dB的增益(后级50欧负载实得增益).1.3 频带内增益起伏控制按照指标的要求，整个系统至少要满足在1～80MHz内最大增益波动不大于1dB.由于本系统是五级级联结构，且每一级都单独工作，而系统总的增益曲线为各模块的叠加.考虑最极端的情况，即各部分的最大增益波动点在同一位置，此时要保证各级最大增益波动小于0.2dB才可满足指标要求.因此，在进行单级设计时应该尽可能降低在1～80MHz通带内的波动，这就对芯片性能提出了挑战，必要时可通过外接LC网络进行一定的增益补偿.1.4 射频放大器的稳定性分析稳定性问题一直是放大器设计的重点之一.对于宽带放大器，稳定性问题尤为重要，在设计初期就要认真考虑.造成放大器不稳定的因素主要来自内部正反馈和外部耦合干扰.对于前者，可能由于布线不合理、放大器反馈设计不合理、单级增益过高，各级信号通过公共网络(如馈电网络)进行串扰等原因造成.因此首先应限制单级增益，对于高速电流型运放可以参考相应器件手册给出的建议反馈电阻.为了防止因馈电网络造成的串扰，可对每一级网络进行单独供电.在电路实际制作中，应合理布局布线，考虑电磁兼容性并采用各种抗干扰手段.根据设计要求，对所选芯片有如下要求:1)低噪声和低失真2)-3dB带宽应远超300KHz～100MHz范围3)在1～80MHz频带内，增益起伏小于0.2dB4)后一级驱动电流有效值需大于20mA考虑到输入级信噪比要高，选择电压反馈型运放.宽带低噪声单位增益稳定的电压反馈型运放OPA847，带宽为 3.9GHz，增益为 20倍时带宽为325MHz，可满足带宽要求且增益稳定，但是由于OPA847放大大信号时平坦度下降所以只选作输入级使用.中间级必须满足在1～80MHz频带内高增益，增益起伏小于1dB.由于电压反馈型运放增益带宽积一定，带宽本身会限制增益的提高，所以选择电流反馈型运放以减小增益的调节对带宽的影响.封装为SOT -23的低失真运放LMH6703，3分贝带宽为1.2 G，在频率100M内增益平坦，且增益最高可达10倍，可满足带宽、增益要求.OPA847的增益平坦度如下(图1选自德州仪器研发芯片OPA847的数据手册): LMH6703的增益平坦度如下(图2选自德州仪器研发芯片LMH6703的数据手册): 由图一、二可知我们选择OPA847、LMH6703能满足平坦度要求.LMH6703其输出电流可达90mA，作为输出级可满足最后一级驱动电流有效值需大于20mA的要求.综合以上，选择OPA847、LMH6703可满足设计要求.通过核心方案论证，本系统由OPA847作为输入级单级放大20dB，中间级通过电流型运放LMH6703实现10dB～60dB增益控制，再通过衰减网络进行-30dB～-60dB衰减，最后接入驱动级形成0dB～20dB的增益.系统框图如图3所示.本系统的放大倍数大于60dB，当电源去耦不好时各级信号电流在内阻上的电压降将产生互耦作用，而本系统的带宽很宽，信号很容易通过电源线相互耦合，若耦合信号起振，电路将产生寄生振荡.所以为了提高射频放大器的稳定性应尽量要做好电源去耦，除了在每个芯片的电源脚接去耦电容，还在电源线中接入了EMI滤波器.同时电流反馈型运放构建的放大器也容易因反馈阻抗值的变化造成自激振荡，因此每个运放的反馈电阻尽量靠近运放输入引脚，以免反馈回路中的分布电容引入新极点，必要时还进行了滞后相位补偿.4.1 前置放大器设计OPA847是电压反馈型运放，它组建的反相放大器抑制噪声能力强，且容易实现特征阻抗匹配，所以第一级由OPA847构成反相放大器以提高信噪比.通过方案论证和理论分析，系统前级电路采用宽带放大器OPA847实现20dB增益放大.OPA847为宽带放大器，带宽为3.9GHz，压摆率为950V/μs，完全达到指标要求.具体电路如图4所示.4.2 中间级放大电路中间级选用电流反馈型运放LMH6703构成同相交流放大器以实现源阻抗匹配.电流反馈型运放LMH6703的闭环增益和频率响应主要取决于反馈电阻的值.反馈电阻的取值决定着电流反馈型运放的工作稳定性.最佳值既可以保证最大带宽，也可以保证稳定地放大而不振荡，对于封装为SOT-23-6的LMH6703最佳的反馈电阻值为560Ω，封装为SOIC则最佳反馈电阻值为390Ω.同时，电流反馈型运放的反馈环路中不允许有电容，因为电容会降低反馈阻抗导致振荡.出于同样的原因，杂散电容也必须控制在运放的反相输入端周围.电流反馈型运放LMH6703的仿真测试图如下:输入10mV时LMH6703的输出波形如图6:电流反馈型运放LMH6703的3分贝带宽为1.2 G，在频率100M内增益平坦，可构成2级宽带放大器，完整电路图如图7所示.由电流反馈型运放LMH6703构成交流同相放大器，电流反馈型运放改变增益对带宽影响较小，所以在高增益的同时能满足带宽要求.且交流同相放大器输入阻抗高，有利于源阻抗匹配.根据每级的增益确定其反馈电阻和增益电阻，调节阻值由图8所示.4.3 衰减电路设计该系统设计的是增益从0dB到60dB可调，但因放大器的增益调到最佳可提高信噪比，为实现增益0dB在系统最后级设计-30dB到-60dB的衰减网络以抵消前级的增益.系统不同模块由同轴电缆传输，同轴电缆的阻抗为50Ω，因此Z0＝50Ω.由于T型电阻网络电阻值较难买到，所以选择π型衰减网络，其衰减结构对应图9所示.当衰减30dB时R2基本保持在50Ω附近，所以采用定值电阻1K和5K的滑动变阻器串联组成R1完成30dB衰减.为避免π型无源衰减器的负载效应，后面接一级缓冲放大器.原理图如图10所示.再接入数字步进衰减器(步进值0.5 dB)新增0～-30dB衰减，即可得到-30 dB～-60 dB的总衰减.最后接入驱动级形成0dB～20dB的增益以驱动50欧负载，LMH6703输出电流可达90mA，作为输出级可满足最后一级驱动电流有效值需大于20mA的要求，电路图与中间级放大器相同.5.1 测试仪器① RIGOL DG4072 100MHz信号源② 泰克TDS2022C 500MHz示波器③ APS3003S-3D高精度线性直流稳压源5.2 测试方案与记录选取频率20MHz，输入电压固定为2.7mVpp，调整电路的增益，测试是否增益在0～62dB内可调.输入电压固定为2.7mVpp，增益选取最大增益62dB以在最坏情况进行测试，改变信号频率，测试-3dB带宽和带内增益平坦度如下.据测试记录可知，输入电压有效值小于等于1mV的时候，增益0～62dB可调，满足指标要求.据测试记录可知，电压增益为62dB的时候，-3dB带宽达到150MHz，在0.3MHz～90MHz频带内增益起伏小于0.8dB，完全满足指标要求.本文首先设计并分析了射频宽带放大器的总体方案，然后将指标分配给前级、中间级与末级，据此选择有源器件，采用多级放大与负反馈技术设计了射频宽带放大器，获得了良好的效果，本射频宽带放大器可广泛用于电子对抗、战术武器制导以及民用无线通信中.【相关文献】[1]刘畅，梁晓新，阎跃鹏.射频宽带低噪声放大器设计[J].电子测量与仪器学报，2009(增刊):196-202.[2]刘抒民，田立卿.使用负反馈技术设计宽带低噪声放大器[J].遥测遥控，2007，28(6):59-63.[3]XIAO J，MEHR I，SILVA-MARTINEZ J.A high dynamic range CMOS variable gain amplifier for mobile DTV tuner[J].Solid-State Circuits，IEEE Journal of，2007，42(2):292-301.[4]WANG C C，LEE C L，LIN L P，et al.Wideband 70dB CMOS digital variable gain amp lifier design for DVB-T receiver's AGC[C]//Circuits and Systems，2005.ISCAS 2005.IEEE International Symposiumon.IEEE，2005:356-359.[5]冈村迪夫.OP放大电路设计[M].王玲，等译.北京:科学出版社，2010.[6]塞尔吉欧.弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].刘树棠，等译.西安:西安交通大学出版社，2009.[7]PARIN V.Aanlysis of CDMA Signal Spetral Regrowth andWaveform Quality[J].IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques，2001(49):2306-2314.[8]SHAH C A，VARSHNEY P K.A Higher Order Statistical Approachto Spectral Unmixing of Remote Sensing Imagery[J].IEEE，2004(2): 1065-1068.[9]张剑平.程控放大器及其精度研究[J].仪器仪表学报，2006，27 (6).[10]赵碧杉，曾攀，谢桂辉.一种可编程宽带放大器的设计[J].电子设计工程，2009.17(7):26-28[11]宋加磊，潘克修，陈斌，等.高性能宽带直流放大器的设计与实现[J].军事通信技术，2010.31(2):81-84.[12]尤志刚，邓立科，杨小军，等.基于反馈技术的宽带低噪声放大器的设计[J].通信技术，2011.44(2):149-153.[13]鹿璇，任翔，罗国君，等.一种可控宽带直流放大器的设计[J].宇航计测技术，2010.30(4):63-65.[14]王康，胡航宇，耿东晛.一种微弱信号的宽带程控高增益放大器设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011(1):9-12.[15]王俊杰，黄心汉.程控增益放大器和自动调整增益放大器的设计[J].电子技术应用，1998(4):50-51.。
CMOS射频前端LNA的设计尹强;黄海生;曹新亮;杨锐【摘要】Using the TSMC RF CMOS 0. 13 μm process, a low noise amplifier ( LNA) with cascode was designed which was applied to the mobile communications standard TD-SCDMA 2 GHz. The circuit parameters were initially calculated, then were cho-sen by using ADS. The circuit was simulated by using the ADS2009 of Agilent's radio frequency EDA platform. The results show that the power consumption of the LNA is only 3 mW in the 1. 2 V supply voltage, the power gain is 18. 96 dB, the input and output matchings are also less than-30 dB, the noise figure ( NF) is 1. 15 dB, and the input 1 dB compression point is-9 dBm. The LNA meets the anticipated requirements.%采用TSMC RF CMOS 0.13μm工艺设计了一款共源共栅结构的低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA),该放大器应用于移动通信主流标准TD-SCDMA 2 GHz中.先初步计算电路参数,后经ADS调谐折中选择电路参数.利用安捷伦公司(Agilent)射频EDA平台ADS2009对电路进行仿真.结果表明,该LNA在1.2 V电源电压下,功耗仅为3 mW,正向功率增益为18.96 dB,输入输出匹配均小于-30 dB,噪声系数为1.15 dB,且输入1 dB压缩点为-9 dBm,满足预期的设计要求.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2018(037)006【总页数】5页(P68-72)【关键词】低噪声放大器;CMOS;ADS;共源共栅;匹配;射频【作者】尹强;黄海生;曹新亮;杨锐【作者单位】西安邮电大学电子工程学院, 陕西西安 710121;西安邮电大学电子工程学院, 陕西西安 710121;延安大学物理学与电子信息学院, 陕西延安 716000;西安邮电大学电子工程学院, 陕西西安 710121【正文语种】中文【中图分类】TN432无线接收机系统在射频集成电路的设计应用中最广泛,也最具有挑战性[1-2]。
微波限幅低噪声放大器研究进展摘要：最近几年，毫米波通信技术在生活中的各个领域发展都很迅速。
在无线通信毫米波发射机中低噪声放大器具有非常重要的地位。
为保护低噪声放大器研究者会在放大器前端添加限幅器模块。
论文介绍了限幅低噪声放大器的工作原理和国内外研究进展。
关键字：限幅；低噪声；放大器1前言近年来，半导体工艺技术和高速无线通信技术的快速发展促进了毫米波技术日趋成熟，毫米波通信技术在生活中的各个领域大展拳脚。
毫米波在很多领域都有所应用且前景广阔。
GaAs工艺在性能方面比CMOS要高，所以现下主流的收发机都是采用GaAs工艺。
6GHz以下频率因为无线通信技术已经占用很多频谱资源，所以现在能继续开发的频谱资源已经很少了，在频谱资源如此拥挤的今天，各个频段之间的干扰也越来越严重。
现今人们要求传输速度越来越快，倒逼无线通信技术向频率更高的毫米波频段发展。
毫米波波长在1-10mm之间，与之对应的频段范围是30-300GHz，毫米波依靠波长短，穿透力强等特点在医学检测，汽车自动驾驶等领域得到广泛应用。
2限幅低噪声放大器的工作原理和研究进展放大器作为毫米波收发系统的重要组成部分，可以实现信号放大。
在放大器分类中，低噪声放大器（LNA）是所有种类中用途较广的一种。
在设计LNA时需要考量的指标有很多，这些指标中最重要的是噪声和线性度，噪声和线性度可以直接反映整个电路系统的灵敏度和动态范围。
信噪比过高也会大幅度降低带宽，在这样拥挤的带宽环境下，降低信噪比就显得尤为重要。
信噪比又由系统噪声直接控制，这个指标也是由低噪声放大器所决定。
另外，当输入功率较大时，低噪声放大器中的有源器件耐功率普遍较低，有些高功率雷达的收发系统共用一个天线，这个天线兼备发射与接收功能。
但是发射机的功率往往很高，通常在几千瓦到几万瓦之间，发射机与接收机的频段又非常接近，接收机就会耦合到一些发射机发射的大功率信号，即使这部分信号只占发射机整体信号很小一部分，但是对接收机也是致命的。
利用C adence 设计COMS 低噪声放大器肖 奔1,殷 蔚2(1.湖南人文科技学院 湖南娄底 417000;2.岳阳职业技术学院 湖南岳阳 414000)摘 要:结合一个2.4GHz CMOS 低噪声放大器(L NA )电路,介绍如何利用Cadence 软件系列中的IC 5.1.41完成CMOS 低噪声放大器设计。
首先给出CMOS 低噪声放大器设计的电路参数计算方法,然后结合计算结果,利用Cadence 软件进行电路的原理图仿真,并完成了电路版图设计以及后仿真。
仿真结果表明,电路的输入/输出均得到较好的匹配。
由于寄生参数,使得电路的噪声性能有约3dB 的降低。
对利用Cadence 软件完成CMOS 射频集成电路设计,特别是低噪声放大器设计有较好的参考价值。
关键词:低噪声放大器;CMOS ;射频IC ;Cadence中图分类号:TP368.1 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2009)102008203CMOS L NA Design Using C adenceXIAO Ben 1,YIN Wei 2(1.Hunan Institute of Humanities ,Science and Technology ,Loudi ,417000,China ;2.Yueyang Vocational Technical College ,Yueyang ,414000,China )Abstract :With an example of 2.4GHz CMOS Low Noise Amplifier (L NA ),it is introduced that how to design the CMOS L NA using IC 5.1.41of Cadence.First ,example includes calculation of circuit parameters.And then ,with the help of this cal 2culation results ,the schematic simulation ,circuit layout and the post 2layout simulation are completed.The simulation results show that the input and output networks matched well ,but the noise performance decreased 3dB because of the parasitic parameters.It is usef ul to the design of CMOS RF IC using Cadence ,especially the CMOS L NA design.K eywords :low noise amplifier ;CMOS ;radio f requency IC ;Cadence收稿日期:20082082010 引 言Cadence Design Systems Inc.是全球最大的电子设计技术、程序方案服务和设计服务供应商。
CMOS射频集成电路分析与设计CMOS射频集成电路的设计与分析是一个复杂的过程，需要考虑射频信号的传输、放大、滤波、混频等各个环节。
首先，设计师需要考虑输入和输出的阻抗匹配。
射频信号的传输需要保证能够顺利地传输到下一个级别，并且能够更好地与外部设备进行连接。
阻抗匹配可以通过调整电路中的元件值来实现，例如使用电容和电感。
其次，设计师需要进行放大器电路的设计。
放大器电路是射频电路中至关重要的一部分，可以对信号进行放大，使其能够被后续电路正确处理。
放大器电路的设计需要考虑增益、频率响应等参数。
CMOS射频集成电路中常使用共源极放大器、共栅极放大器等结构。
此外，滤波器也是射频电路中不可或缺的一部分。
滤波器可以隔离不需要的频率分量，以满足电路中的要求。
CMOS射频集成电路中常使用LC滤波器、SAW滤波器等。
滤波器的设计需要考虑通过带宽、阻带衰减、群延迟等参数。
最后，CMOS射频集成电路还需要进行混频器电路的设计。
混频器可将不同频率的信号混合在一起，产生新的频率。
混频器电路涉及到高频信号的相互作用以及非线性存在的问题。
设计师需要考虑混频器的转换增益、转换损耗等参数。
综上所述，CMOS射频集成电路分析与设计是一个复杂而且细致的过程。
需要设计师具备深厚的射频电路知识，并且熟悉相应的设计工具和模型。
同时，为了获得更好的性能和更高的集成度，设计师还需要不断地进行仿真验证、参数调整和优化。
随着射频通信和无线通信技术的发展，CMOS射频集成电路的分析与设计将会变得越来越重要，并且有着广阔的应用前景。
cmos射频集成电路设计pdf
CMOS射频集成电路设计是指使用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术来设计和实现射频（RF）集成电路（IC）。
射频集成电路是用于处理和传输无线通信信号的电子电路，涵盖了无线通信系统中的射频前端、中频和基带处理等功能。
在传统的数字集成电路设计中，CMOS技术被广泛应用于数字逻辑电路和处理器设计。
然而，由于CMOS技术在高频率和高功率应用方面的优势，它也被引入到射频领域。
CMOS射频集成电路设计面临一些挑战，因为RF信号需要在高频率范围进行处理，而CMOS技术在高频时会面临一些限制，如寄生电容、电感和截止频率等方面的限制。
因此，射频集成电路设计需要特殊的技术和设计方法来解决这些问题。
在CMOS射频集成电路设计中，设计工程师需要考虑以下方面：
1. 射频放大器和混频器的设计：包括选择合适的放大器架构，优化增益、噪声和线性度等性能。
2. 射频滤波器和匹配网络的设计：用于频率选择和阻塞不需要的信号，以及确保电路和天线之间的最佳能量传输。
3. 射频功率放大器的设计：用于增加信号的功率，以满足无线通信系统的要求。
4. 射频混频器和频率合成器的设计：用于实现频率转换和信号调制等功能。
5. 射频信号传输和接收电路的设计：包括天线、调制解调器和射频前端电路等。
CMOS射频集成电路设计需要深入理解射频电路和系统的工作原理、相关的无线通信标准和要求，以及CMOS技术的特点和限制。
通过合适的设计工具、模拟和仿真技术，设计工程师可以优化电路性能，满足射频通信系统的需求。
