摘 要：給出了一種GPS前端LNA模塊設(shè)計(jì)方案。該方案采用帶通濾波器+低噪聲放大器+帶通濾波器。這種架構(gòu)對(duì)移動(dòng)通信干擾有優(yōu)異的抑制性能，這有助于確保GPS接收器在移動(dòng)臺(tái)通話時(shí)并行工作。低噪聲放大器LNA采用Infineon公司高性能硅鍺三極管BPF740F，具有非常低的噪聲指數(shù)、高線性度和高增益的特點(diǎn)。濾波器采用全球定位系統(tǒng)L1頻段帶通聲表面濾波器?？梢宰鳛橐苿?dòng)通信終端搭載的GPS前端LNA的備選方案。

關(guān)鍵詞：GPS前端；低噪聲放大器；高增益；移動(dòng)臺(tái)

0引言

GPS導(dǎo)航設(shè)備隨著嵌入移動(dòng)終端產(chǎn)品得以普及，而手持終端產(chǎn)品對(duì)于GPS系統(tǒng)提出的要求是滿足定位精度的前提下降低使用成本。這種使用成本不僅是包括設(shè)備本身的成本，還包括GPS系統(tǒng)在使用過程中的能量損耗（源于對(duì)功耗的敏感性）這對(duì)于手持設(shè)備是至關(guān)重要的。在功耗滿足的情況下，低噪聲放大器的設(shè)計(jì)回歸到普遍的低噪聲放大器設(shè)計(jì)流程，而資用功率設(shè)計(jì)法成為此流程的基本方法。

1資用功率設(shè)計(jì)法

由于GPS的信號(hào)非常微弱，接收機(jī)前端接收到的信號(hào)功率為-130dBm到-133dBm[1]，此信號(hào)非常微弱，已經(jīng)淹沒在噪聲里。GPS接收前端電路對(duì)GPS的信號(hào)捕捉至關(guān)重要。設(shè)計(jì)性能優(yōu)秀的低噪聲放大器和干擾濾波器是保證GPS接收器正常工作的前提。簡(jiǎn)單說來(lái)，資用功率設(shè)計(jì)法就是在將源阻抗匹配在最佳噪聲源阻抗后，最大限度的提高負(fù)載的匹配程度，以得到最大的增益。圖1給出了本設(shè)計(jì)的原理圖。以下就實(shí)際的設(shè)計(jì)考量進(jìn)行討論。

2 GPS低噪聲放大器設(shè)計(jì)

2.1直流偏置

將射頻三極管偏置在合適的工作點(diǎn)應(yīng)該是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的第一步。從不同的應(yīng)用出發(fā)，直流饋電電路的選擇是不同的。考慮到終端產(chǎn)品對(duì)成本和性能的要求，選擇較為簡(jiǎn)單的電阻反饋偏執(zhí)電路，R1和R2饋入直流，且R2提供穩(wěn)定工作點(diǎn)所需的直流負(fù)反饋。直流工作點(diǎn)的選擇出發(fā)點(diǎn)在于增益、線性度、噪聲指數(shù)和功耗的折中。高的靜態(tài)電流有利于提高增益和線性度，但是噪聲指數(shù)也會(huì)隨著集電極電流的增加而增加，同時(shí)大電流也會(huì)增加功耗。分析廠商給的數(shù)據(jù)知道，BFP740F在漏極電流為10mA左右時(shí)，可獲得較好的噪聲系數(shù)指標(biāo)，是我們?cè)O(shè)置直流偏執(zhí)的依據(jù)。

2.2穩(wěn)定性考慮

放大器的潛在不穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題，基于此，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在全頻段的無(wú)條件穩(wěn)定，這意味著對(duì)于放大器的輸入端和輸出端加載任意阻抗，電路都不會(huì)有振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)[2]。無(wú)條件穩(wěn)定的充分必要條件由Rollett穩(wěn)定系數(shù)給出。利用晶體管供應(yīng)商提供的S2P文件，很容易在仿真軟件中的得到K值。在沒有任何穩(wěn)定措施的情況下，三極管在低于7.5GHz的頻帶上都是潛在不穩(wěn)定的。在低于8GHz的頻段上，引入兩種方法將射頻管保持絕對(duì)穩(wěn)定。引入穩(wěn)定電阻R3，此電阻會(huì)惡化放大器的增益和壓縮點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)阻值來(lái)使這種影響降到最低。在共射模式工作的管子射極與地間串入一小段電感，以增加反饋的方式提高穩(wěn)定性能[3]。通過仿真，得到這段電感的值為 0.2nH。通過兩段并聯(lián)微帶線（0.1mm×1.5mm）來(lái)實(shí)現(xiàn)此電感，如圖2（a）。穩(wěn)定后的晶體管Rollett系數(shù)值由圖2（b）給出，晶體管在全頻段達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3噪聲匹配

對(duì)低噪聲放大器性能考察的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是噪聲系數(shù)，為達(dá)到噪聲系數(shù)的要求，有理由對(duì)增益，駐波等其他指標(biāo)作妥協(xié)。較高的電流有利于增益的調(diào)高和線性度的改善，但是會(huì)使噪聲系數(shù)惡化。對(duì)單級(jí)放大器而言，噪聲系數(shù)NF由下式給出：

其中NFmin 為晶體管最小噪聲系數(shù)，由晶體管本身決定，Γopt ，Rn ，Γs 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)。晶體管的源端所接信號(hào)源的阻抗等于它所要求的最佳源阻抗時(shí)，由該晶體管構(gòu)成的放大器的噪聲系數(shù)最小[4]。然而，最佳噪聲匹配源阻抗一般都不是滿足最大增益時(shí)的源阻抗，因此，需要進(jìn)行噪聲和增益的折中。本設(shè)計(jì)將源阻抗匹配在噪聲系數(shù)低于0.7dB的情況下，此源阻抗可得到至少22dB的增益。源阻抗確定后，只需將負(fù)載端進(jìn)行共軛匹配[5]。

2.4仿真驗(yàn)證

通過CAD軟件模擬低噪放的噪聲系數(shù)和增益。圖3給出了噪聲系數(shù)的仿真結(jié)果。容易看出，在完全噪聲匹配的情況下，可以得到0.619dB的噪聲系數(shù)，如Mark1所示。考慮到與增益的折中，最終的噪聲系數(shù)仿真數(shù)據(jù)為Mark2所示的0.671dB。由散射參數(shù)仿真可以得到放大器的增益特性，由圖4，可獲得21.6dB的前向增益。

3噪聲系數(shù)測(cè)試

低噪聲放大器的實(shí)際測(cè)試使用Y因子方法，Y因子方法使用一個(gè)與被測(cè)件輸入端直接連接的噪聲源，提供兩個(gè)輸入噪聲電平。Y因子方法易于使用，特別是當(dāng)噪聲源具有良好的源匹配并且被測(cè)件直接連接時(shí)，測(cè)試可獲得良好的精度。由圖5，低噪聲放大器的實(shí)際噪聲指數(shù)為0.7 dB，與仿真數(shù)據(jù)接近，驗(yàn)證了仿真對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義。

4結(jié)束語(yǔ)

給出了一種實(shí)用的GPS前端低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方案。在滿足高增益要求的前提下，可以得到0.7dB的噪聲性能，測(cè)試方法由文獻(xiàn)[6]給出?？梢宰鳛橐苿?dòng)通信終端搭載的GPS前端LNA的備選方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] Shaeffer D K， Lee T H， A 1.5-V，1.5-GHz COMS low noise amplifier， IEEE Journal Solid-State， Vol. 32， No. 5， May. 1997， pp. 745-759.

[2] Ludwig R， Bretchko P，RF Circuit Design，Theory，and Applications，Englewood Cliffs，NJ：Prentice Hall，2000，pp. 309 -328.

[3] Wevers G， A high IIP3 low noise amplifier for 1900 MHz applications using the SiGe BFP620 transistor， Applied Microwave and Wireless，2003， pp. 64 -80.

[4]Gilmore R， Besser L，Practical RF circuit design for modern wireless systems，Vol.ΙΙ：Active circuit and systems， Artech House，INC.， pp. 75-85.

[5] Razavi B， RF Microelectronics， Englewood Cliffs，NJ ：Prentice Hall，1998.

[6]Application Note 1281，A hign IIP3 balanced low noise amplifier for cellular base station applications，Agilent Technologies，F(xiàn)ebruary 2002.

作者簡(jiǎn)介：

尹興（1983-），男，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，工程師，從事射頻電路研究和設(shè)計(jì)。