低噪聲放大器的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r及趨勢.doc

低噪聲放大器的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r及趨勢1 低噪聲放大器的應(yīng)用 低噪聲放大器是現(xiàn)代無線通信、雷達(dá)、電子對抗系統(tǒng)等應(yīng)用中一個(gè)非常重要的部分，常用于接收系統(tǒng)的前端，在放大信號的同時(shí)抑制噪聲干擾，提高系統(tǒng)靈敏度。 如果在接收系統(tǒng)的前端連接高性能的低噪聲放大器，在低噪聲放大器增益足夠大的情況下，就能抑制后級電路的噪聲，則整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)蔣主要取決于放大器的噪聲。如果低噪聲放大器的噪聲系數(shù)降低，接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)也會(huì)變小，信噪比得到改善，靈敏度大大提高。由此可見低噪聲放大器的性能制約了整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，對于整個(gè)接收系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，也起了決定性的作用。 低噪聲放大器是雷達(dá)、電子對抗及遙測遙控接受系統(tǒng)等的關(guān)鍵部件。L、S波段低噪聲放大器一般用于遙測、遙控系統(tǒng)。在電子對抗、雷達(dá)偵察中，由于要接收的信號的頻率范圍未知，其實(shí)頻率范圍也是要偵察的內(nèi)容之一，所以要求接收系機(jī)的頻率足夠?qū)?，那么放大器的頻率也要求足夠?qū)?。而且，雷達(dá)偵察接收的是雷達(dá)發(fā)射的折射波，是單程接收；而雷達(dá)接收的是目標(biāo)回波，從而使偵察機(jī)遠(yuǎn)在雷達(dá)作用距離之外就能提早發(fā)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)。靈敏度高的接收機(jī)偵察距離就遠(yuǎn)，如高靈敏度的超外差式接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程偵察，用以監(jiān)視敵遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的發(fā)射，所以，要增高偵察距離，就要提高接收機(jī)靈敏度，就要求高性能的低噪聲放大器。在國際衛(wèi)星通信應(yīng)用中, 低噪聲放大器的主要發(fā)展要求是改進(jìn)性能和降低成本。由于國際通信量年復(fù)一年地迅速增加, 所以必須通過改進(jìn)低噪聲放大器的性能來滿足不斷增加的通信要求。因此, 要不懈地不斷努力去展寬帶低噪聲放大器的帶寬和降低其噪聲溫度。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā), 衛(wèi)星通信整個(gè)系統(tǒng)的成本必須減少到能與海底電纜系統(tǒng)相競爭。降低低噪聲放大器的噪聲溫度是降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本的一種最有效的方法, 因?yàn)榈孛嬲咎炀€的直徑可以通過改善噪聲溫度性能而減小。另一方面, 在國內(nèi)衛(wèi)星通信應(yīng)用中, 重點(diǎn)放在低噪聲放大器的不用維修特性以及低噪聲和寬帶性能, 因?yàn)樵谶@些系統(tǒng)中越來越廣泛地采用無人管理的工作方式, 特別在電視接收地面站中更是如此。衛(wèi)星通信用的低噪聲放大器可以分為兩種類型低噪聲參量放大器和場效應(yīng)晶體管低噪聲放大器。這些低噪聲放大器用在幾個(gè)頻段內(nèi), 包括4GHz, 12 GHz和毫米波頻段。寬帶低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)又有很多種類型。SiGe工藝具有優(yōu)異的射頻性能，更由于其較高的性價(jià)比，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星定位和RFID等市場；SiGe工藝還可以與常規(guī)的數(shù)字模擬電路相集成，制造出功能完整的SoC芯片。目前采用SiGe材料制作射頻集成電路已成為國際上的研究熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)前端的低噪聲放大器是最近興起的超寬帶射頻通信系統(tǒng)中的挑戰(zhàn)之一。業(yè)界一直在追求完全集成的超寬帶通信系統(tǒng)SOC，與其他工藝相比，CMOS工藝更易于系統(tǒng)集成,所以人們設(shè)計(jì)出了許多的CMOS工藝的超寬帶低噪聲放大器。4GHz頻段是目前衛(wèi)星通信最通用的頻段, 它用于國際衛(wèi)星通信和國內(nèi)衛(wèi)星通信, 包括電視接收地面站。在這些領(lǐng)域內(nèi), 已經(jīng)研制出了各種各樣的低噪聲放大器并已得到了應(yīng)用。低噪聲參量放大器和場效應(yīng)晶體管低噪聲放大器根據(jù)其冷卻系統(tǒng)可以分為三種類型, 即深致冷型式, 熱電致冷型式和非致冷型式。深致冷低噪聲參量放大器在衛(wèi)星通信的初期得到廣泛的使用。而今天, 除了一些特殊應(yīng)用以外, 這種型式的參放幾乎不象以前那樣廣泛地使用, 這是因?yàn)橛芯S修困難等幾方面的原因。熱電致冷和非致冷低噪聲參量放大器主要用在國際衛(wèi)星通信地面站中, 有時(shí)也用在國內(nèi)衛(wèi)星通信的關(guān)鍵地面站。由于變?nèi)莨艿母倪M(jìn)和泵頻的提高, 這些低噪聲放大器幾乎具有深致冷參放那樣的低噪聲溫度。場效應(yīng)晶體管低噪聲放大器主要用在國內(nèi)衛(wèi)星通信地面站中, 特別是用在電視接收地面站中。在這些場合,幾乎普遍采用熱電致冷和非致冷型式。深致冷型式僅僅用在特殊的場合。2發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 能夠放大微波射頻信號的元件有很多，速調(diào)管和行波管專門用于高功率場合下放大微波射頻信號，而且噪聲很高；參量放大器可用于低噪聲放大，但是帶寬較窄；利用半導(dǎo)體材料的雪崩效應(yīng)工作的雪崩二極管，因?yàn)槠湓肼曒^大多數(shù)用作負(fù)載功率放大器；另外，還有隧道二極管、體效應(yīng)二極管等微波固體器件，但前者承受信號功率小，易于燒毀而應(yīng)用很少，而后者工作電壓低、調(diào)頻噪聲小而多用于振蕩器。量子放大器的噪聲系數(shù)最好，但是它龐大而且昂貴。到上世紀(jì)四十年代微波晶體管的問世，由于其體積小、重量輕使得其成為微波固體器件的一個(gè)重要分支。到了六十年代中期，由于平面外延工藝的發(fā)展，雙極晶體管能夠應(yīng)用于微波射頻波段。而且，隨著半導(dǎo)體材料和工藝的迅速發(fā)展，場效應(yīng)晶體管緊接著也應(yīng)用于微波射頻頻段。微波晶體管放大器具有寬頻帶、穩(wěn)定性好、噪聲性能好、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。 射頻低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)多個(gè)性能指標(biāo)參數(shù)折中的過程，它的性能參數(shù)包括工作頻率、功率增益、噪聲系數(shù)、輸入輸出匹配、線性度和直流功耗以及穩(wěn)定性等。隨著CMOS工藝水平的不斷提高，設(shè)計(jì)方法的不斷進(jìn)步，CMOS射頻低噪聲放大器的性能越來越高。當(dāng)然，現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對LNA的要求也越來越高，這必然也推動(dòng)著人們不斷去研究探索出新的性能更完善的LNA。 在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過程中，我們通常都有好幾個(gè)目標(biāo)，比如要使噪聲盡可能地小，提供足夠增益的同時(shí)要有足夠的線性度，以及要能提供一個(gè)穩(wěn)定的50輸入阻抗，當(dāng)然在便攜設(shè)備中還有一個(gè)要求就是功耗要盡可能地低。當(dāng)?shù)驮肼暦糯笃髑懊嬗幸粋€(gè)預(yù)選濾波器時(shí)，有一個(gè)性能好的輸入匹配是非常重要的，因?yàn)檫@種濾波器對終端阻抗的質(zhì)量是非常敏感的。在設(shè)計(jì)者頭腦中有一個(gè)這樣的概念后，我們首先考慮的就是能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的輸入阻抗，因此出現(xiàn)了各種輸入結(jié)構(gòu)，歸納起來可以分為四種，如圖1.1所示。這里的每一種結(jié)構(gòu)或者以單端形式出現(xiàn)，或者以差分形式出現(xiàn)。 圖1.1 幾種常見的LNA結(jié)構(gòu)圖1.1(a)所示電路，在柵極并聯(lián)一個(gè)匹配電阻(在窄帶應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)調(diào)諧還可以在MOSFET柵極并聯(lián)一個(gè)到地的電感)，雖然可以實(shí)現(xiàn)共軛匹配，但是對放大器的噪聲系數(shù)影響很大，不適合于要求低噪聲系數(shù)的場合。圖1.1(b)所示共柵極電路，它可以在低電壓下工作，其輸入電阻就是其跨導(dǎo)的倒數(shù)，我們可以選擇合適的器件尺寸和改變其偏置實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，它不必外接元件也能夠達(dá)到50的輸入電阻，但是它的噪聲性能不好，其理論最小噪聲系數(shù)為2.2dB，不適合用在對噪聲系數(shù)要求高的場合。圖1.1(c)所示電路，它是一個(gè)跨阻放大器，在寬帶放大器中用的比較多。圖1.1(d)所示是源極電感負(fù)反饋電路，是目前低噪聲放大器當(dāng)中用的最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，它通過源極電感來產(chǎn)生輸入阻抗的實(shí)部，由于它產(chǎn)生的這個(gè)實(shí)部不是實(shí)電阻，因而這種結(jié)構(gòu)的噪聲系數(shù)比較小。在過去的二十幾年，低噪聲技術(shù)有了長遠(yuǎn)的發(fā)展。在80年代早期，低噪聲放大器的噪聲性能已經(jīng)相當(dāng)出色了，然而其體積重量都比較大，功耗也比較大。衛(wèi)星地面終端對低噪聲、重量輕、低功耗以及高可靠性同時(shí)提出了要求，當(dāng)時(shí)的低噪聲放大器還很難同時(shí)達(dá)到上述要求。隨著分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)化合物化學(xué)汽相淀積(MOCVD)等晶體生長技術(shù)、“能帶工程”原理在器件設(shè)計(jì)中的成功應(yīng)用，以及電路匹配技術(shù)，器件工藝技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)了許多新型的半導(dǎo)體器件。除砷化鉀場效應(yīng)晶體管(GaAs FET)外，其佼佼者有高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。1981年法國ThomsonCSF公司研制成功第一個(gè)低噪聲HEMT，在10GHz下，NF為2.3dB，Ga為10.3dB。在之后的五年里，HEMT已取得了顯著的進(jìn)展，成為公認(rèn)的最適于毫米波應(yīng)用的低噪聲器件之一。在60GHz下，用GaAs基的HEMT器件能夠達(dá)到NF1.7dB，Ga7.6dB。InP-HEMT在1987年問世之后的幾年里，噪聲性能已提高到令人驚奇的程度，是目前毫米波高端應(yīng)用最好的低噪聲器件。在60GHz下，InP-HEMT能夠達(dá)到NF0.9dB，Ga8.6dB。目前，用HEMT制作的多級低噪聲放大器已廣泛用于衛(wèi)星接收系統(tǒng)、電子系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)。 微波電路是以微波混合集成電路(MIC)的形式出現(xiàn)的，它是把微波無源元件制作在塑料、陶瓷、藍(lán)寶石等介質(zhì)基片上再把微波半導(dǎo)體器件裝配(焊接)在基片上。1989年，由混合微波集成電路技術(shù)制成的三階InP基放大器在60-65GHz頻段內(nèi)，已達(dá)到噪聲系數(shù)3.0dB，其相關(guān)增益為22dB。三年以后，使用0.1m InP基HEMT制成的三階放大器在60GHz下已達(dá)到1.6dB的噪聲系數(shù)，其相關(guān)增益16dB。 高電子遷移率晶體管及異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的出現(xiàn)和GaAs工藝的成熟，給微波單片集成電路(MMIC)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在MMIC中，通常由各種器件、集總參數(shù)元件和分布參數(shù)元件按照一定的電路拓?fù)渑帕卸鴺?gòu)成。從電路的結(jié)構(gòu)上來看，這和混合微波集成電路有著很多相似的方面，兩者既有聯(lián)系又有區(qū)別。在MMIC中的元件包括有源元件和無源元件兩類。主要是利用MESFET或HEMT作為有源元件。無源元件除了各種形狀的傳輸線構(gòu)成的分布參數(shù)元件外，一些集總元件也經(jīng)常使用。 進(jìn)入90年代，隨著晶體材料技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，毫米波MMIC進(jìn)入實(shí)用化階段。MMIC開始主要應(yīng)用于軍用系統(tǒng)，90年代以來，MMIC在商用產(chǎn)品中開拓了廣闊的市場。這主要是商用無線通信市場，如低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信、環(huán)球定位衛(wèi)星系統(tǒng)等。長期以來，射頻集成電路實(shí)現(xiàn)工藝是以GaAs、SiGe襯底的BiCMOS/Bipolar工藝處于主導(dǎo)地位，主要是由于他們的高截止頻率、高增益以及相對較低的噪聲。但是，由于通信電路的基帶處理、數(shù)字信號處理通常都采用集成度更高的CMOS工藝，因此工藝的不兼容性長期以來成為了射頻集成電路發(fā)展的一個(gè)瓶頸。近年來人們對硅基深亞微米CMOS工藝技術(shù)發(fā)展作了不懈努力，MOS晶體管的性能得到了顯著的提高，例如，MOSFET的截止頻率已經(jīng)達(dá)到了150GHz，這使得采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)射頻集成電路成為可能。而且，與傳統(tǒng)的射頻工藝相比，CMOS工藝有著先天的優(yōu)勢高集成度(與基帶、數(shù)字信號處理模塊工藝兼容)、低成本。所以CMOS射頻集成電路成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。作為射頻前端的關(guān)鍵模塊的LNA，國內(nèi)外學(xué)者對它作了廣泛而深入的研究。其中Der