射频小信号高增益放大器设计

毕业论文（设计）论文（设计）题目：2.4GHz射频功率放大器的设计目录中文摘要 (1)Abstract (2)第一章绪论 (3)第二章理论基础 (5)2.1 二端口网络 (5)2.2 技术指标 (6)2.2.1 输出功率 (7)2.2.2 功率增益 (8)2.3 匹配网络 (9)2.3.1共轭匹配 (11)2.3.2负载牵引 (11)2.4 传输线理论简介 (12)2.5 ADS软件简介 (12)第三章电路设计 (14)3.1器件选型和功率分配 (14)3.1.1器件选型 (14)3.1.2 功率和增益分配 (14)3.2 单级放大器设计 (15)3.2.1功率级（Power stage）设计 (15)3.2.2驱动级（Driver stage）设计 (23)3.2.3 两级功率放大器系统设计 (26)第四章总结与展望 (29)谢辞 (30)参考文献 (31)附录翻译 (33)中文摘要近年来，RFID技术的应用在全球掀起一场热潮。

2.4G技术标准由于它的广泛应用，更是成为技术和市场领域的宠儿。

RFID最重要的部分是发射机，而射频功率放大器作为发射机的核心部件，它的性能是制约整个RFID系统性能和技术水平的关键因素。

本文介绍了基于ADS用于RFID系统的2.4GHz射频功率放大器的硬件电路设计方法。

整个系统以MOSFET器件为核心功放晶体管，在2.4GHz、工作电压为3.3V 条件下，采用两级功放级联方式，前端驱动级工作于小信号状态，为后端提供高功率增益，后端功率级工作于大信号，提供高功率输出。

级联之后的效果是实现了27dB功率增益和高达近27dBm功率输出。

该系统主要应用于超高频射频识别读写器系统。

本文深入探讨了整体硬件电路的设计方案，详细阐述了电路设计的原理和方法，最后给出了具体的实现过程。

关键词：GaAs FET；RFID；ADS；2.4G无线系统；射频功率放大器AbstractIn recent years, RFID technology has led to a boom in the world. 2.4G technology standard has become a cosset of the technology and market field, just because of its wide range of applications. Transmitter is the most important part of the RFID system. As the core component of a transmitter, the performance of RFPA becomes to the key factor restricting capability and technical level of the whole RFID systemThis paper introduces a method of 2.4GHz RFPA hardware circuit designing used in RFID system based on ADS. The entire system using MOSFET component as the core power transistor contains two-stage cascade amplifiers working in 3.3V supply voltage, 2.4GHz. The driver-level works in small-signal state, providing high power gain for the back-end; power-level works in large-signal state, providing high output-power for the load. The effect after cascade is to achieve a 27dB power gain and a 27dBm output-power.We discuss the blue print of the overall hardware circuit design in this paper, expatiate the principles and methods of circuit design in detail, and finally give a concrete realization of the process.Key words: GaAs FET; RFID; ADS; 2.4G wireless system; RF Power Amplifier第一章绪论随着人类社会进入信息时代，无线通信技术有了飞速的发展，尤其是射频微波通信技术的产生和发展无疑对无线通信技术的发展起到了决定的作用。

3.6射频放大器
3.6.1射频放大器的作用
在通信系统中，到达接收机的射频小信号放大电路的射频信号电平多在微伏数量级。

在多数情况下，信号不是单一频率的，而是占有一定频谱宽度的频带信号。

另外，在同一信道中，可能同时存在许多偏离有用信号频率的各种干扰信号，因此射频小信号放大电路除有放大功能外，还必须具有选频功能。

射频小信号放大器电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。

宽频带放大电路对几兆赫兹至几百兆赫兹（甚至几吉赫兹）较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大，故要求放大电路具有很低的下限截止频率（有些要求到零频即直流）和很高的上限截止频率。

宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。

为了展宽工作频带，不但要求有源器件具有好的高频特性，而且在电路结构上也会采取一些改进措施，例如采用共射共基组合电路和负反馈。

3.6.2射频放大器电路及原理
本节选用单级单调谐放大电路可由双极型晶体管、场效应晶体管、射频集成电路和并联谐振回路组成。

一个共发射极的晶体管单调谐放大器电路如图3-10所示。

图中R1、R2、R3是工作点偏置电阻，C1为耦合电容，C3为旁路电容。

电感L的原边线圈AC端为N1，AB端为N0，副边线圈为N2。

L与电容C2构成LC谐振电路，作为放大器的集电极负载，起选频作用。

LC谐振电路采用抽头接入法，以减轻晶体管输出电阻对谐振电路Q值的影响。

最后输出端接发射天线，将信号发射出去。

图3-10单机单调谐放大电路。

设计⼀个射频⼩信号放⼤器题⽬:设计⼀个射频⼩信号放⼤器概述⾼频⼩信号放⼤器是通信设备中常⽤的功能电路，它所放⼤的信号频率在数百千赫⾄数百兆赫。

⾼频⼩信号放⼤器的功能是实现对微弱的⾼频信号进⾏不失真的放⼤，所谓⼩信号,⼀是信号幅度⾜够⼩,使得所有有源器件(晶体三极管,场效应管或IC)都可采⽤⼆端⼝Y参数或线性等效电路来模型化;⼆是放⼤器的输出信号与输⼊信号成线性⽐例关系.从信号所含频谱来看，输⼊信号频谱与放⼤后输出信号的频谱是相同的。

⾼频⼩信号放⼤器的分类：按元器件分为：晶体管放⼤器、场效应管放⼤器、集成电路放⼤器;按频带分为：窄带放⼤器、宽带放⼤器;按电路形式分为：单级放⼤器、多级放⼤器;按负载性质分为：谐振放⼤器、⾮谐振放⼤器;.⾼频⼩信号谐振放⼤器除具有放⼤功能外,还具有选频功能,即具有从众多信号中选择出有⽤信号,滤除⽆⽤的⼲扰信号的能⼒.从这个意义上讲,⾼频⼩信号谐振放⼤电路⼜可视为集放⼤,选频⼀体,由有源放⼤元件和⽆源选频⽹络所组成的⾼频电⼦电路.主要⽤途是做接收机的⾼频放⼤器和中频放⼤器.其中⾼频⼩信号调谐放⼤器⼴泛应⽤于通信系统和其它⽆线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是⾮常微弱的，这就需要⽤放⼤器将其放⼤。

⾼频信号放⼤器理论⾮常简单，但实际制作却⾮常困难。

其中最容易出现的问题是⾃激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。

本⽂以理论分析为依据，以实际制作为基础，⽤LC振荡电路为辅助，来消除⾼频放⼤器⾃激振荡和实现准确的频率选择；另加其它电路，实现放⼤器与前后级的阻抗匹配。

2电路的基本原理图2-1所⽰电路为共发射极接法的晶体管⾼频⼩信号单级单调谐回路谐振放⼤器。

它不仅要放⼤⾼频信号，⽽且还要有⼀定的选频作⽤，因此，晶体管的集电极负载为LC并联谐振回路。

在⾼频情况下，晶体管本⾝的极间电容及连接导线的分布参数等会影响放⼤器输出信号的频率或相位。

晶体管的静态⼯作点由电阻R b1、R b2及Re决定，其计算⽅法与低频单管放⼤器相同。

增益可控射频放大器设计方案
要设计一个增益可控的射频放大器，可以采用以下方案：
1.选择合适的放大器架构：常见的射频放大器架构有共集、共基和共射极。

其中，共基架构通常具有较高的输入和输出阻抗匹配，适用于宽频段的应用；共射架构具有较高的增益和较低的噪声，适用于功率放大器设计。

2.选择合适的放大器器件：根据设计要求选择合适的射频晶体管或场效应管。

通常情况下，选择具有较高的增益、较低的噪声系数和适当的功率容量的器件。

3.匹配网络设计：使用合适的匹配网络来实现输入输出的阻抗匹配。

匹配网络可以提高电路的功率传输效率，减小反射损耗，并实现最优的功率增益。

4.增益控制电路设计：可以采用可变电容、电阻、电感等元件来实现增益的可调控。

通过调整这些元件的参数来控制放大器的增益。

5.稳定性分析和设计：进行稳定性分析，确保放大器在工作范围内保持稳定。

可以采取稳定性增强措施，如添加稳定性网络或者改进反馈电路。

6.射频线路设计：布局射频线路时，要尽量避免回授、干扰和串扰。

采用合适的屏蔽和分离技术，以减小射频线路的损耗和干扰。

7.仿真和测试：使用射频模拟软件进行电路仿真，验证设计的性能，并进行测试调整和优化。

以上是一般的增益可控射频放大器设计方案，具体的设计流程和细节还需要根据具体的应用环境和要求来调整。

增益可控射频放大器设计方案射频放大器是无线电通信中不可缺少的元器件之一，它的作用是将低功率的射频信号放大到足以驱动天线发射或接收的功率水平，是保证无线电通信质量的重要组成部分。

而在实际应用中，往往需要按照不同的应用场合、不同的工作模式设置不同的功率增益，这时候使用增益可控射频放大器就成为了一种必要且经常使用的方案。

增益可控射频放大器，顾名思义，就是可以根据用户设定的要求进行动态增益控制的射频放大器。

在其设计中，往往需要考虑到多种因素，包括放大器的带宽、线性度、增益稳定性、功耗等方面。

基本的设计方案可以分为两大方面，分别是电路拓扑的选择和控制驱动方法的选择。

第一部分，电路拓扑的选择1. 原理图分析在增益可控射频放大器的设计中，常见的电路拓扑有改变可变电容或电感的电容电感电路、改变偏压源或驱动功率的静态偏压调整电路、改变偏置电阻值的偏置调整电路等多种方案。

上述不同方案的电路拓扑有其各自的特点和适用范围，选用时应根据具体的应用场景和要求进行选择和优化。

2. 频带选择射频放大器的高频特性对于增益可控射频放大器的设计也非常重要。

在选择电路拓扑设计时，应优先考虑实现所需的频带扩展和增益线性特性。

单极型、双极型电路和互补式等电路拓扑结构被广泛应用于高频应用中，并且具有良好的频带性能和线性特性，因此可以作为首选方案。

3. 加工工艺为了满足射频电路在工艺制作和组装时的要求，应选择符合工艺流程和成本控制的电路方案，保证后续工艺步骤的顺利执行和成品的质量稳定性。

第二部分，控制驱动方法的选择1. 改变控制电压增益可控射频放大器的一个显著特点就是可以通过改变控制电压实现增益的可调。

可以采用变阻器、开关或数字锁存等控制方法实现控制电压的可变，再通过一定电路对电压进行转换和放大，实现对放大器增益的控制。

2. 功率反馈控制功率反馈控制是另一个常用的控制方法，通过将反馈电路接收到的功率信号与输出信号进行比较和控制，实现了对信号的自适应控制。

随着半导体工艺技术的快速发展，射频电路器件的设计已逐渐形成无线通信发展的一个新潮流，也成为射频全芯片集成电路方面一个新的研究热点。

低噪声放大器（Low Noise Amplifiers, LNA），就是用于便携式通信、蓝牙系统、卫星通信系统、相阵雷达系统等无线通信设备接收系统中的关键器件之一，其噪声、功率增益、信号带宽以及动态范围等性能直接影响着整个射频接收系统。

因此，进行LNA 设计技术的研究和积极探索对于射频集成电路设计和高性能、低成本的无线产品开发都具有很重要的意义。

根据目前射频通信电路的发展状态和趋势，本文主要进行了接收机的射频前端可增益低噪声放大器的研究和设计。

以此为导向，开展了LNA相关知识资料的搜集、分析和拓扑结构与版图的设计、优化以及芯片测试研究等工作。

并根据电路结构提出了参数优化方案，取得了比较满意的设计效果，最终设计出了性能指标较好的低噪声放大器。

关键词：射频通信电路，低噪声放大器，可变增益放大器。

ABSTRACTAs the semiconductor process develops rapidly, it gradually becomes a new trend in development of Radio frequency circuit component's design, and it becomes to be a new research region and hotspot in RF whole wafer IC design. LNAs are one of the key components in wireless communication equipments, such as portable communic ation, blue-tooth system, satellite communication system, phase array radar system etc. Its performances such as noise figure, power gain, signal bandwidth and SFDR will directly have an effect on the whole RF system. So it has important significance to do profound research and exp loiture of LNA for RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit) design and low cost, high performace wireless products.According to present radio communication electric circuit's development condition and tendency, This article has mainly conducted receiver's low noise amplifier research and the design.low noise amplifiers noise performance, circuit topology design, circuit layout design, performance optimization and the test techniques of device are deeply researched and made a more systematic analysis and study in the paper, the parameter optimization methods also are demonstrated, which got the satisfying results. At last, a better performance, well worked LNA in all kind of technical specifics is designed.Key works : radio communication electric circuit, low noise amplifiers, variable gain amplifier第一章绪论....................................................... - 1 -1.1 通信系统的组成 ............................................ - 1 -1.2 移动通信的射频设计 ........................................ - 2 -1.3 射频设计在移动通信机设计中的重要地位 ...................... - 3 - 第二章低噪声放大器的基本理论..................................... - 4 -2.1 射频小信号放大器电路的主要技术指标 ........................ - 4 -2.1.1 增益................................................. - 4 -2.1.2 通频带............................................... - 5 -2.1.3 选择性............................................... - 5 -2.1.4 线性范围............................................. - 6 -2.1.5 隔离度和稳定性....................................... - 8 -2.1.6 噪声系数............................................. - 8 -2.2 低噪声放大器基本拓扑结构分析 ............................. - 10 -2.2.1 共发射级结构LNA .................................... - 10 -2.2.2共基极结构LNA ....................................... - 10 -2.2.3两级结构双极型LNA ................................... - 11 - 第三章增益射频放大器的硬件设计.................................. - 12 -3.1硬件连接图................................................ - 12 -3.2电路所需芯片简介.......................................... - 12 -3.2.1 8031芯片简介 ....................................... - 12 -3.2.2芯片AD625简介： .................................... - 15 -3.2.3 芯片AD7502简介..................................... - 20 - 第四章系统软件设计.............................................. - 24 -4.1软件完成主要功能.......................................... - 24 -4.2 程序框图 ................................................. - 24 -4.3 软件程序 ................................................. - 25 -4.4 实验与调试 ............................................... - 25 - 第五章射频放大器其它设计方案.................................... - 26 -5.1 自动增益控制技术 ......................................... - 26 -4.2可变增益放大器............................................ - 28 - 总结............................................................. - 30 - 参考文献......................................................... - 31 - 致谢............................................................. - 32 - 附录一：......................................................... - 33 - 附录二：......................................................... - 34 -第一章绪论近30年来无线移动通信是电子信息产业中发展最为迅速的一个分支。