可变增益低噪声放大器的设计与实现
师建英++许衍彬
摘 要： 传统结构的低噪声放大器的噪声系数较高，增益平坦性较差。为了解决该问题，设计了可变增益低噪声放大器，其由高增益模块、中间增益模块和低增益模块构成。将有源负反馈低噪声放大器作为放大器的高增益放大模块，采集微弱的输入信号。中间增益模块通过电阻分压衰减器实现输入信号的衰减处理，确保总体放大器具有较高的线性度。低增益模块通过衰减器完成相关工作，可采集到强信号，避免三阶交调量对系统信噪比的不利干扰。实验结果说明，设计的低噪声放大器在电压增益、噪声系数和三阶交调量三方面的性能都较优。
关键词： 可变增益放大器； 低噪声； 三阶交调量； 电阻分压衰减器
中图分类号： TN722.3?34； TM13 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0099?05
Abstract： Since the low?noise amplifier of the traditional structure has the problems of high noise coefficient and poor gain flatness， a variable?gain low?noise amplifier was designed. The amplifier is composed of the high?gain module， middle?gain module and low?gain module. The active feedback low?noise amplifier is taken as the high?gain amplification module of the amplifier to acquire the weak input signal. The middle?gain module attenuates the input signal by means of the resistance?based voltage?dividing attenuator to ensure the high linearity of the overall amplifier. The low?gain module acquires the strong signal while the related work was done by the attenuator to avoid the harmful interference of the three?order intercept to the system signal?to?noise ratio. The experiment result shows that the designed low?noise amplifier has superior performance in the aspects of voltage gain， noise coefficient and three?order intercept.
Keywords： variable?gain amplifier； low noise； three?order intercept； resistance?based voltage?dividing attenuator
0 引 言
随着集成电路向系统芯片方向发展和芯片工艺尺寸缩小形成的高频性能增加，使用芯片工艺设计射频前端电路广泛应用于各领域[1]。低噪声放大器是射频接收机的首个模块，其决定了系统的灵敏性。因此，放大器需要具备较低的噪声系数，并且还需要通过合理的增益限制后级电路的噪声对系统产生的干扰[2]。传统结构的低噪声放大器的噪声系数较高，增益平坦性较差。
以往设计出的低噪声放大器存在较多的问题，如文献[3]分析的一种多可调谐的窄带低噪声放大器组合，可采集到宽频带的信号，但其需要较多的大电容和大面积的电感，成本较高。文献[4]设计的源极串联电感反馈共源低噪声放大器，可在低功耗下获取高电压增益，具有较低的噪声系数，但是其存在增益平坦性差的缺陷。文献[5]采用跨导增强技术设计反相放大器，其通过噪声抵消方法确保噪声系数的最低化，但是需要额外的放大电路，成本较高。文献[6]设计了电容交叉耦合低噪声放大器，其通过电容交叉耦合方法降低噪声系数，确保共栅低噪声放大器的线性度和稳定性，但其需要输入大量差分信号，容易对噪声系数产生恶化。
针对上述问题，本文设计了可变增益低噪放大器，其由高增益模块、中间增益模块和低增益模块构成。其噪声系数低，增益变化具有较高的线性度。
1 可变增益低噪声放大器的设计与实现
射频接收机的输入信号强度波动较高，最低功率的信号应低于-100 dBm，而最高功率信号为0 dBm。为了确保接收机具备合理的动态波动区域，设计的可变增益低噪声放大器应按照采集到的信号强度自主调整增益。设计的可变增益低噪声放大器由高增益模块、中间增益模块和低增益模块构成。其中，高增益模块具有较低的噪声系数，可采集到信号轻度弱的输入信号[7]；中间增益模块内的衰减器增益低于1，说明衰减器可产生低于0 dB的增益，可先完成大信号的衰减处理，确保总体可变增益低噪声放大器具有较高的线性度；低增益模块通过衰减器完成，对输入信号进行衰减处理。
1.1 高增益模块
1.1.1 有源负反馈低噪声放大器设计
有源负反馈低噪声放大器的结构如图1所示，其可破坏输入阻抗同噪声系数以及增益间的折衷关系，能够提供足够的增益，并且具有较低的噪声系数，为数字电视调谐器提供高质量的服务[8]。将该有源负反馈低噪声放大器当成可变增益低噪声放大器的高增益模块。
该放大器进行电压增益以及输入阻抗的匹配过程中，M1管为共源放大管，其沟道电流在负载上可变换成输出电压，完成电压的放大处理[9]。M2管为源极跟随器，其可向输入端传递输出信号，并且融入有源负反馈，M2管同电阻串联构成输入阻抗匹配电路。MC管为共栅管，能够降低M1管栅漏寄生电容的米勒效应，增强输出阻抗和输入输出间的反隔离度。是M1的跨导，是负载电阻。是输入电压，是输出电压，二者的比值为电压增益。
1.1.2 放大器偏置电路的设计
将图1设计成图2所示的结构，实现对跨导的控制。
图2中共源放大管M1a～M4a同共栅放大管M1c～M4c组成四条支路，这些支路是否运行同共栅管的运行状态相关。最高增益模式下，四条支路全部都运行，共栅管的栅极偏置电压为：
1.3 中间增益模块设计
中间增益模块也可以按照高增益模块的思路继续控制跨导，以得到更小的跨导，可获取更小的增益。该方法获取的低噪声放大器的噪声系数恶化较少，但是其线性度提升较慢，无法实现低增益情况下系统对三阶交调量的要求，并且会耗费较多资源。因为电阻衰减器具有较强的线性度，能够对大信号进行衰减处理，降低后级电路的输入信号，最终削弱对后级电路的三阶交调量要求。基于图2可得，高增益模块先融入电阻衰减器，能够在获取中间增益的情况下确保良好的三阶交调量。因此设计的电阻衰减器att同高增益模块lna_mg串联构成放大器的中间增益模块结构，如图5所示。
图5中，在高增益模块lna_mg前插入电阻衰减器att，lna_mg在全部增益模式下的输入抗阻同保存匹配，此时lna_mg的为图4中和电阻值的总和。图5中是图4中的Part1，是图4中的Part2。
用Gatt和Glna分别表示att和lna_mg的增益，则Gatt包括-6 dB，-12 dB和-18 dB三个增益模式，包括具有2 dB台阶的-20～14 dB的增益，和间的组合，能够获取-6～14 dB的中间增益，同时具有2 dB的增益台阶。
1.4 完整的可变增益低噪声放大器设计
将上述分析的各模块进行汇总后可获取完整的可变增益低噪声放大器，如图6所示。图6中的lna_uhf是图1设计的有源负反馈低噪声放大器，lna_mg是高增益模块，其同lna_uhf结构一致，只是反馈电阻同负载处的电感存在一定的差异；中间增益模块lna_vhf同前二者的结构一致，但是其单元管子面积较大，并且负载电阻增加。衰减器att_u同att_v的结构如图6所示，二者间的电阻的取值不同。
从图6可以看出，att_v内部关断，仅闭合开关S3，则放大器能够获取-22～6 dB的增益，断开开关S3，闭合开关S0以及S2，att_u同lna_mg配合能够获取-6～14 dB的增益，内部关断除了lna_uhf的全部模块，只闭合开关S1，能够通过lna_uhf获取14～20 dB的增益，满足低噪声放大器的指标需求增益区间要求，最终完成对低噪声放大器的降噪操作。
2 仿真实验
通过实验检测本文设计的可变增益低噪声放大器各性能参数随增益的变化情况，测试设计的放大器的性能。
2.1 可变增益低噪声放大器的增益
实验分别对本文设计的可变增益低噪声放大器和传统结构的放大器，在高频段下的增益随控制码波动的工作频率是630 MHz时增益控制和增益台阶的变化状态进行测试，结果如图7所示。可以看出，本文设计的放大器总体上增益变化线性度较好，增益台阶变化平稳。而传统结构的放大器的增益变化线性度较低，并且增益台阶的波动较高。
在低频段中，放大器的增益随控制码波动的工作频率是150 MHz，在该种情况下两种放大器的增益控制和增益台阶的状态如图8所示。能够看出，相对于传统结构的放大器，本文放大器的增益变化线性度更高，虽然二者的增益台阶都出现一定的波动，但是本文放大器的增益台阶的波动幅度更低，说明本文放大器的控制稳定性更高。
2.2 可变增益低噪声放大器的噪声系数
低频段中频率低于100 MHz情況下，噪声系数受到噪声的干扰。高频段下，随着频率的不断增加，带宽的约束力不断增强，增益降低，使得噪声系数恶化。高频段工作频率是630 MHz情况下，本文放大器和传统结构的放大器的噪声系数随增益的波动情况如图9所示。低频段，工作频率是150 MHz的情况下，两种放大器的噪声系数随着增益的波动情况如图10所示。
分析图9和图10可以看出，本文设计的可变增益低噪声放大器在高频段和低频段的噪声系数随着增益的下降都呈现出增加的趋势，抗噪性较高。而传统结构的放大器在高频段和低频段的噪声系数随着增益的降低而降低，抗噪性能弱。
2.3 可变增益低噪声放大器的三阶交调量
在高频段和低频段下，本文放大器和传统放大器在全部增益下的/三阶交调量//P3随增益的变化分别如图11和图12所示。分析结果可得，本文放大器随着增益的降低，//P3也逐渐增大。并且当信号较强时，增益降低，此时电路由无源电阻衰减器构成，//P3达到最高值，输入信号达到0 dBm量级。而传统结构的放大器随着增益的降低，//P3也降低，说明其对三阶交调点的控制能力较差，稳定性弱。
综合分析上述实验结果可得，本文设计的可变增益低噪声放大器在电压增益、噪声系数和三阶交调量等方面的性能都优于传统结构的放大器，具有较高的使用价值。
3 结 论
本文设计的可变增益低噪声放大器包括高增益模块、中间增益模块和低增益模块。通过实验检测结果可以看出，本文设计的放大器的电压增益变化线性度高，增益台阶变化平稳；在高频段和低频段的噪声系数随着增益的下降都呈现出增加的趋势，抗噪性较高，并且能够避免三阶交调量对系统信噪比的不利干扰。
参考文献
[1] 李文娟.基于白光LED驱动电路中误差放大器的设计[J].现代电子技术，2015，38（18）：155?157.
[2] 郑世程，吕志强，陈岚.一种10 GHz高增益低噪声放大器设计[J].微处理机，2014，35（1）：1?3.
[3] 于金鑫，王志功，徐建.一种指数增益控制宽范围可变增益放大器[J].中国集成电路，2014，23（8）：39?42.
[4] 魏淑华，戴澜，苑林.高性能开关电容可变增益放大器的设计[J].北方工业大学学报，2014，26（3）：28?34.
[5] 徐建，于金鑫，曾贤文，等.GSM?R光纤直放站低噪声放大器模块的设计[J].高技术通讯，2014，24（9）：957?962.
[6] 赖积斌，任国强，王明富，等.高频非对称EMCCD增益驱动电路设计[J].现代电子技术，2015，38（22）：111?114.
[7] 王一冰，彭安金.一种射频宽带低噪声放大器的设计[J].西南民族大学学报（自然科学版），2015，41（3）：383?390.
[8] 王晓东，赵月圆，梅丽.基于白噪声扰动的CS?BP网络的波动率[J].西安工程大学学报，2015，29（6）：761?764.
[9] 陈昌铭，李巍，李宁.一种新型X波段5 bit本振移相器设计[J].复旦学报（自然科学版），2015，54（2）：156?167.
[10] 赵思棋，李斌.宽带电台中的CMOS自动增益控制设计[J].无线电工程，2016，46（3）：79?82.
摘 要： 传统结构的低噪声放大器的噪声系数较高，增益平坦性较差。为了解决该问题，设计了可变增益低噪声放大器，其由高增益模块、中间增益模块和低增益模块构成。将有源负反馈低噪声放大器作为放大器的高增益放大模块，采集微弱的输入信号。中间增益模块通过电阻分压衰减器实现输入信号的衰减处理，确保总体放大器具有较高的线性度。低增益模块通过衰减器完成相关工作，可采集到强信号，避免三阶交调量对系统信噪比的不利干扰。实验结果说明，设计的低噪声放大器在电压增益、噪声系数和三阶交调量三方面的性能都较优。
关键词： 可变增益放大器； 低噪声； 三阶交调量； 电阻分压衰减器
中图分类号： TN722.3?34； TM13 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0099?05
Abstract： Since the low?noise amplifier of the traditional structure has the problems of high noise coefficient and poor gain flatness， a variable?gain low?noise amplifier was designed. The amplifier is composed of the high?gain module， middle?gain module and low?gain module. The active feedback low?noise amplifier is taken as the high?gain amplification module of the amplifier to acquire the weak input signal. The middle?gain module attenuates the input signal by means of the resistance?based voltage?dividing attenuator to ensure the high linearity of the overall amplifier. The low?gain module acquires the strong signal while the related work was done by the attenuator to avoid the harmful interference of the three?order intercept to the system signal?to?noise ratio. The experiment result shows that the designed low?noise amplifier has superior performance in the aspects of voltage gain， noise coefficient and three?order intercept.
Keywords： variable?gain amplifier； low noise； three?order intercept； resistance?based voltage?dividing attenuator
0 引 言
随着集成电路向系统芯片方向发展和芯片工艺尺寸缩小形成的高频性能增加，使用芯片工艺设计射频前端电路广泛应用于各领域[1]。低噪声放大器是射频接收机的首个模块，其决定了系统的灵敏性。因此，放大器需要具备较低的噪声系数，并且还需要通过合理的增益限制后级电路的噪声对系统产生的干扰[2]。传统结构的低噪声放大器的噪声系数较高，增益平坦性较差。
以往设计出的低噪声放大器存在较多的问题，如文献[3]分析的一种多可调谐的窄带低噪声放大器组合，可采集到宽频带的信号，但其需要较多的大电容和大面积的电感，成本较高。文献[4]设计的源极串联电感反馈共源低噪声放大器，可在低功耗下获取高电压增益，具有较低的噪声系数，但是其存在增益平坦性差的缺陷。文献[5]采用跨导增强技术设计反相放大器，其通过噪声抵消方法确保噪声系数的最低化，但是需要额外的放大电路，成本较高。文献[6]设计了电容交叉耦合低噪声放大器，其通过电容交叉耦合方法降低噪声系数，确保共栅低噪声放大器的线性度和稳定性，但其需要输入大量差分信号，容易对噪声系数产生恶化。
针对上述问题，本文设计了可变增益低噪放大器，其由高增益模块、中间增益模块和低增益模块构成。其噪声系数低，增益变化具有较高的线性度。
1 可变增益低噪声放大器的设计与实现
射频接收机的输入信号强度波动较高，最低功率的信号应低于-100 dBm，而最高功率信号为0 dBm。为了确保接收机具备合理的动态波动区域，设计的可变增益低噪声放大器应按照采集到的信号强度自主调整增益。设计的可变增益低噪声放大器由高增益模块、中间增益模块和低增益模块构成。其中，高增益模块具有较低的噪声系数，可采集到信号轻度弱的输入信号[7]；中间增益模块内的衰减器增益低于1，说明衰减器可产生低于0 dB的增益，可先完成大信号的衰减处理，确保总体可变增益低噪声放大器具有较高的线性度；低增益模块通过衰减器完成，对输入信号进行衰减处理。
1.1 高增益模块
1.1.1 有源负反馈低噪声放大器设计
有源负反馈低噪声放大器的结构如图1所示，其可破坏输入阻抗同噪声系数以及增益间的折衷关系，能够提供足够的增益，并且具有较低的噪声系数，为数字电视调谐器提供高质量的服务[8]。将该有源负反馈低噪声放大器当成可变增益低噪声放大器的高增益模块。
该放大器进行电压增益以及输入阻抗的匹配过程中，M1管为共源放大管，其沟道电流在负载上可变换成输出电压，完成电压的放大处理[9]。M2管为源极跟随器，其可向输入端传递输出信号，并且融入有源负反馈，M2管同电阻串联构成输入阻抗匹配电路。MC管为共栅管，能够降低M1管栅漏寄生电容的米勒效应，增强输出阻抗和输入输出间的反隔离度。是M1的跨导，是负载电阻。是输入电压，是输出电压，二者的比值为电压增益。
1.1.2 放大器偏置电路的设计
将图1设计成图2所示的结构，实现对跨导的控制。
图2中共源放大管M1a～M4a同共栅放大管M1c～M4c组成四条支路，这些支路是否运行同共栅管的运行状态相关。最高增益模式下，四条支路全部都运行，共栅管的栅极偏置电压为：
1.3 中间增益模块设计
中间增益模块也可以按照高增益模块的思路继续控制跨导，以得到更小的跨导，可获取更小的增益。该方法获取的低噪声放大器的噪声系数恶化较少，但是其线性度提升较慢，无法实现低增益情况下系统对三阶交调量的要求，并且会耗费较多资源。因为电阻衰减器具有较强的线性度，能够对大信号进行衰减处理，降低后级电路的输入信号，最终削弱对后级电路的三阶交调量要求。基于图2可得，高增益模块先融入电阻衰减器，能够在获取中间增益的情况下确保良好的三阶交调量。因此设计的电阻衰减器att同高增益模块lna_mg串联构成放大器的中间增益模块结构，如图5所示。
图5中，在高增益模块lna_mg前插入电阻衰减器att，lna_mg在全部增益模式下的输入抗阻同保存匹配，此时lna_mg的为图4中和电阻值的总和。图5中是图4中的Part1，是图4中的Part2。
用Gatt和Glna分别表示att和lna_mg的增益，则Gatt包括-6 dB，-12 dB和-18 dB三个增益模式，包括具有2 dB台阶的-20～14 dB的增益，和间的组合，能够获取-6～14 dB的中间增益，同时具有2 dB的增益台阶。
1.4 完整的可变增益低噪声放大器设计
将上述分析的各模块进行汇总后可获取完整的可变增益低噪声放大器，如图6所示。图6中的lna_uhf是图1设计的有源负反馈低噪声放大器，lna_mg是高增益模块，其同lna_uhf结构一致，只是反馈电阻同负载处的电感存在一定的差异；中间增益模块lna_vhf同前二者的结构一致，但是其单元管子面积较大，并且负载电阻增加。衰减器att_u同att_v的结构如图6所示，二者间的电阻的取值不同。
从图6可以看出，att_v内部关断，仅闭合开关S3，则放大器能够获取-22～6 dB的增益，断开开关S3，闭合开关S0以及S2，att_u同lna_mg配合能够获取-6～14 dB的增益，内部关断除了lna_uhf的全部模块，只闭合开关S1，能够通过lna_uhf获取14～20 dB的增益，满足低噪声放大器的指标需求增益区间要求，最终完成对低噪声放大器的降噪操作。
2 仿真实验
通过实验检测本文设计的可变增益低噪声放大器各性能参数随增益的变化情况，测试设计的放大器的性能。
2.1 可变增益低噪声放大器的增益
实验分别对本文设计的可变增益低噪声放大器和传统结构的放大器，在高频段下的增益随控制码波动的工作频率是630 MHz时增益控制和增益台阶的变化状态进行测试，结果如图7所示。可以看出，本文设计的放大器总体上增益变化线性度较好，增益台阶变化平稳。而传统结构的放大器的增益变化线性度较低，并且增益台阶的波动较高。
在低频段中，放大器的增益随控制码波动的工作频率是150 MHz，在该种情况下两种放大器的增益控制和增益台阶的状态如图8所示。能够看出，相对于传统结构的放大器，本文放大器的增益变化线性度更高，虽然二者的增益台阶都出现一定的波动，但是本文放大器的增益台阶的波动幅度更低，说明本文放大器的控制稳定性更高。
2.2 可变增益低噪声放大器的噪声系数
低频段中频率低于100 MHz情況下，噪声系数受到噪声的干扰。高频段下，随着频率的不断增加，带宽的约束力不断增强，增益降低，使得噪声系数恶化。高频段工作频率是630 MHz情况下，本文放大器和传统结构的放大器的噪声系数随增益的波动情况如图9所示。低频段，工作频率是150 MHz的情况下，两种放大器的噪声系数随着增益的波动情况如图10所示。
分析图9和图10可以看出，本文设计的可变增益低噪声放大器在高频段和低频段的噪声系数随着增益的下降都呈现出增加的趋势，抗噪性较高。而传统结构的放大器在高频段和低频段的噪声系数随着增益的降低而降低，抗噪性能弱。
2.3 可变增益低噪声放大器的三阶交调量
在高频段和低频段下，本文放大器和传统放大器在全部增益下的/三阶交调量//P3随增益的变化分别如图11和图12所示。分析结果可得，本文放大器随着增益的降低，//P3也逐渐增大。并且当信号较强时，增益降低，此时电路由无源电阻衰减器构成，//P3达到最高值，输入信号达到0 dBm量级。而传统结构的放大器随着增益的降低，//P3也降低，说明其对三阶交调点的控制能力较差，稳定性弱。
综合分析上述实验结果可得，本文设计的可变增益低噪声放大器在电压增益、噪声系数和三阶交调量等方面的性能都优于传统结构的放大器，具有较高的使用价值。
3 结 论
本文设计的可变增益低噪声放大器包括高增益模块、中间增益模块和低增益模块。通过实验检测结果可以看出，本文设计的放大器的电压增益变化线性度高，增益台阶变化平稳；在高频段和低频段的噪声系数随着增益的下降都呈现出增加的趋势，抗噪性较高，并且能够避免三阶交调量对系统信噪比的不利干扰。
参考文献
[1] 李文娟.基于白光LED驱动电路中误差放大器的设计[J].现代电子技术，2015，38（18）：155?157.
[2] 郑世程，吕志强，陈岚.一种10 GHz高增益低噪声放大器设计[J].微处理机，2014，35（1）：1?3.
[3] 于金鑫，王志功，徐建.一种指数增益控制宽范围可变增益放大器[J].中国集成电路，2014，23（8）：39?42.
[4] 魏淑华，戴澜，苑林.高性能开关电容可变增益放大器的设计[J].北方工业大学学报，2014，26（3）：28?34.
[5] 徐建，于金鑫，曾贤文，等.GSM?R光纤直放站低噪声放大器模块的设计[J].高技术通讯，2014，24（9）：957?962.
[6] 赖积斌，任国强，王明富，等.高频非对称EMCCD增益驱动电路设计[J].现代电子技术，2015，38（22）：111?114.
[7] 王一冰，彭安金.一种射频宽带低噪声放大器的设计[J].西南民族大学学报（自然科学版），2015，41（3）：383?390.
[8] 王晓东，赵月圆，梅丽.基于白噪声扰动的CS?BP网络的波动率[J].西安工程大学学报，2015，29（6）：761?764.
[9] 陈昌铭，李巍，李宁.一种新型X波段5 bit本振移相器设计[J].复旦学报（自然科学版），2015，54（2）：156?167.
[10] 赵思棋，李斌.宽带电台中的CMOS自动增益控制设计[J].无线电工程，2016，46（3）：79?82.
