GHz WiMAX低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真

1、Design and Simulate of 5.8GHz WiMAXLow Noise Amplifier Deng ming Huang Shi zhen (Fujian Key Laboratory of Microelectronics& Integrated Circuits, FuZhou 350002, China )Abstract:A design method that realizes a LNA for Wimax high frequency Low Noise Amplifier with a standards-based IEEE802.16 is in

2、troduced in this paper, the working frequency band at 5.8GHz. Adopt a juvenile 0.15 m phemt process 4x50 m transistor the signal model, current-reused structure was used as LNA circuit structure,and optimize the circuit design of LNA bias circuit.the EDA software of ADS2008 was applied to simulate a

3、nd optimize some important figures of Low Noise Amplifier (LNA) ,such as gain,noise figure, S parameters and so on, The final,we will obtain the design results.Keyword: WiMAX，LNA，ADS，matching circuit，noise figure5.8 GHz WiMAX低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真鄧 明 黃世震(福建省微電子與集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州，350002 )摘要：本文介紹了一種基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的高頻段

4、WiMAX低噪聲放大器(LNA)的設(shè)計(jì)方法，工作頻段在5.8GHz，采用穩(wěn)茂0.15m pHEMT工藝 4x50m晶體管大信號(hào)模型，選用current-reused結(jié)構(gòu)作為L(zhǎng)NA電路結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)LNA的電路偏置電路。利用Agilent公司的ADS2008軟件對(duì)低噪聲放大器(LNA) 的一些重要指標(biāo)：增益、噪聲系數(shù)、S-參數(shù)等進(jìn)行了仿真分析，得出設(shè)計(jì)結(jié)果。關(guān)鍵詞：WiMAX，LNA，ADS仿真，匹配電路，噪聲系數(shù)1. 引言近些年來，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，WiMAX作為一種無線寬帶城域網(wǎng)技術(shù)1，以其實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，提供更高速的寬帶接入，更優(yōu)良的最后一公里網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)等優(yōu)點(diǎn)迅速登上通訊技術(shù)

5、的舞臺(tái)，成為有線寬帶和DSL技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者234。射頻低噪聲放大器(RF LNA) 是無線通信系統(tǒng)射頻接收機(jī)前端的關(guān)鍵模塊，它必須在一定的功耗條件下提供足夠的增益,優(yōu)異的噪聲性能,良好的穩(wěn)定性5。足夠的增益可以抑制后續(xù)級(jí)模塊的噪聲，優(yōu)異的噪聲性能幾乎決定整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能,良好的穩(wěn)定性可以使其在較大的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)正常工作。所以低噪聲放大器(LNA)的性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)WiMAX射頻通信接收機(jī)是至關(guān)重要的6。2.低噪聲放大器的主要參數(shù)：2.1噪聲系數(shù)式（2-1）噪聲系數(shù)定義為放大器輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值,即：噪聲系數(shù)反映了信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)后信噪比惡化的程度，它總是一個(gè)大于1的數(shù)，也就是說

6、信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)后信噪比是惡化了。噪聲系數(shù)是射頻電路的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它決定了接收機(jī)的靈敏度，影響著模擬通信系統(tǒng)的信噪比和數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率。無線通信和衛(wèi)星通信的快速發(fā)展對(duì)器件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的噪聲性能要求越來越高7。式（2-2）對(duì)單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為： 其中 NFmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，opt、Rn 和s分別為獲得 NFmin時(shí)的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。2.2放大器增益G：放大器的增益通常被定義為傳輸給負(fù)載ZL的平均功率與信號(hào)源的最大資用功率之比： G=PL/PS 式（2-3） 增益通常在阻性信號(hào)源和端接阻性負(fù)

7、載的情況定義的，這表明了信號(hào)源的資用功率都提供給了負(fù)載。放大器的資用功率經(jīng)輸出口適當(dāng)匹配提供了終端，并且增益的值通常是在固定的頻點(diǎn)上測(cè)到的，又由于大多數(shù)放大器的增益-頻率曲線的不平坦性，因此還必須說明增益的平坦度。提高低噪聲放大器的增益對(duì)降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過高會(huì)影響整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍8。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來考慮。2.3輸入輸出駐波比駐波比全稱為電壓駐波比，又名VSWR和SWR,表征了系統(tǒng)輸入輸出回路的匹配情況。當(dāng)兩個(gè)回路阻抗數(shù)值一樣時(shí)，即達(dá)到完全匹配，反射系數(shù)等于0，駐波比為1，這是一種理想的狀況，

8、但實(shí)際上總存在反射，所以駐波比總是大于1的。在設(shè)計(jì)低噪聲放大器的匹配電路時(shí)，通常為獲得最小噪聲來考慮輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最低駐波比和最大輸出功率而設(shè)計(jì)。所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，通?？梢酝ㄟ^添加一個(gè)低插損的隔離器來減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對(duì)系統(tǒng)的影響。2.4放大器的動(dòng)態(tài)范圍（IIP3）放大器不失真的放大最小信號(hào)與最大信號(hào)電平的比值被定義為放大器的動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，該比值使用dB來表示兩信號(hào)的電平差，高保真放大器的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)大于90 dB。在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，以免在接收機(jī)后級(jí)造成嚴(yán)

9、重的非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3較高一點(diǎn)，至少比最大輸入信號(hào)高30dB，以免大信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生非線性失真910。3.電路設(shè)計(jì)與仿真3.1 系統(tǒng)指標(biāo)首先，根據(jù)LNA系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來確定指標(biāo)如下表3-1：設(shè)計(jì)頻率5.8GHz噪聲系數(shù)<1.5dB增益>20dBS11<-15dBS22<-15dB功耗<20mW表3-1 LNA設(shè)計(jì)指標(biāo)3.2電路結(jié)構(gòu)閱讀大量文獻(xiàn)111213，根據(jù)具體的規(guī)格，選擇電路架構(gòu)，本LNA電路采用current-reused結(jié)構(gòu)。Current reused LNA電路結(jié)構(gòu)如圖3-1。其中虛線為該結(jié)構(gòu)交流路徑，實(shí)線為該結(jié)構(gòu)的

10、直流路徑。DCAC圖3-1 current-reused LNA電路結(jié)構(gòu)3.3電路優(yōu)化設(shè)計(jì)完成電路結(jié)構(gòu)的選擇后，設(shè)計(jì)LNA的偏置電路。如圖3-2為L(zhǎng)NA功率放大器偏壓電路。圖3-2 LNA偏壓電路由于pHEMT晶體管是電壓控制元件，柵極靜態(tài)電流基本為零，因此柵極使用電阻偏壓并不會(huì)增加功耗，而且可以減小芯片面積，但是在輸出端偏置電路中的電阻值不可太小，否則會(huì)使LNA噪聲系數(shù)惡化14。設(shè)計(jì)中取Vdd電壓為2.2V，ID電流為8.5mA，且完成偏壓電路設(shè)計(jì)后，整體電路性能穩(wěn)定。對(duì)完成偏置設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行S參數(shù)仿真，得到電路的可資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓如圖3-3，從圖中可以看出噪聲系數(shù)最小可以為0.

11、6dB，增益最大可以為27.7dB，但兩者并不是同一點(diǎn)，因此需要對(duì)噪聲系數(shù)和功率增益進(jìn)行最優(yōu)化，以達(dá)到權(quán)衡。圖3-3 LNA 可資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓如圖3-3所示，最小噪聲系數(shù)點(diǎn)與最大可資用功率增益點(diǎn)，相差很遠(yuǎn)，不易取到最佳輸入阻抗值，通?？稍谳斎攵司w管的源級(jí)加feedback電感，可以使等噪聲系數(shù)圓與可資用功率增益圓靠近，這樣就可以更好的權(quán)衡，加feedback電感后的等噪聲系數(shù)圓與可資用功率增益圓如圖3-4，有圖可知，雖然最小噪聲系數(shù)有所變大，最大功率增益有所減小，但仍然符合電路要求，而且兩者的權(quán)衡會(huì)更好。如圖，取最小噪聲系數(shù)點(diǎn)和最大增益點(diǎn)的中間點(diǎn)作為最佳輸入阻抗（Zopt）,可

12、得Zopt=67+j*50 。圖3-4 加入feedback電感后的LNA可資用功率增益圓和等噪聲系數(shù)圓根據(jù)得到的最佳輸入阻抗值Zopt，將輸入端50匹配到Zopt=67+j*50 ，輸出端利用共軛匹配將輸出端匹配到50負(fù)載，完成電路設(shè)計(jì)，得到LNA整體電路如圖3-5。圖 3-5 LNA整體電路此電路為current-reused LNA結(jié)構(gòu)，該電路具有低功耗，高增益的特點(diǎn)。在直流時(shí)，電感L2起到短路作用，因此晶體管Q1,Q2具有相同的ID電流，這樣可以減少晶體管功率；在交流時(shí)，L2電感起到RFchock作用，且有電容C2的交流短路和C3的交流接地作用，使晶體管Q1,Q2為級(jí)聯(lián)形式，從而提高了

13、整體電路的功率增益。電感Ls為feedback電感，用來tradeoff噪聲系數(shù)和功率增益，使該電路既有較好的噪聲系數(shù)，又不會(huì)使功率增益太低。考慮電路直流工作的穩(wěn)定性，在各個(gè)電源輸入端并聯(lián)bypass電容，交流短路電容C2應(yīng)該大一些，以保證交流信號(hào)可以跟好的傳到下一級(jí)。3.4電路參數(shù)ADS仿真3.4.1噪聲系數(shù)圖3-6 LNA噪聲系數(shù)特性NFmin表示該低噪聲放大器可以實(shí)現(xiàn)的最小噪聲系數(shù)值，NF為實(shí)際匹配到的噪聲系數(shù)值。如圖所示，該低噪聲放大器最后模擬得到在5.8GHz時(shí)，系統(tǒng)噪聲系數(shù)為1.2dB。3.4.2增益圖3-7 LNA功率增益特性由圖3-7可知，該低噪聲放大器工作在5.8GHz時(shí)，其

14、功率增益為21.3dB， IP1dB為-23.0dBm，OP1dB為-2.8dBm。3.4.3 S-參數(shù)圖3-8 LNA的S-參數(shù)特性由上圖可知，在5.8GHz工作頻段該低噪聲放大器S21模擬值約為21.3dB，S11模擬值約為-33.1dB，S22模擬值約為-45.7dB。4.結(jié)論本文立足理論研究，介紹了低噪聲放大器主要的特性參數(shù)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了基于WiMAX的5.8GHz低噪聲放大器，運(yùn)用ADS2008軟件詳細(xì)模擬了LNA的主要性能參數(shù)。仿真結(jié)果為：噪聲系數(shù)1.2dB<1.5dB；增益21.3dB>20dB；S11約為-33.1dB<-15dB；S22約為-45.7dB&l

15、t;-15dB；均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在WiMAX迅速發(fā)展的今天，本次設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，但是，本文今后還有待在電路版圖設(shè)計(jì)中得到提高和改進(jìn)。參考文獻(xiàn)1郎為民，焦巧，蔡理金WiMAX應(yīng)用與發(fā)展技術(shù)交流，2009，(6)：15-172劉秀梅，劉俊霞WiMAX技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展分析高新技術(shù)，2008，(1)：11-123鄧志巍，IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)與WiMAX技術(shù)淺析電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2006，(8)：29-364劉純勤，李安濤IEEE802. 11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)通信技術(shù)1998，55-585王茜，王巖無線城域網(wǎng)WiMAX技術(shù)及其應(yīng)用電信科學(xué)，2004，(8)：69-736袁洪君，蔣曉東，

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