高增益GPS前端低噪聲放大器設計

摘 要：給出了一種GPS前端LNA模塊設計方案。該方案采用帶通濾波器+低噪聲放大器+帶通濾波器。這種架構對移動通信干擾有優異的抑制性能，這有助于確保GPS接收器在移動臺通話時并行工作。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、高線性度和高增益的特點。濾波器采用全球定位系統L1頻段帶通聲表面濾波器。可以作為移動通信終端搭載的GPS前端LNA的備選方案。

關鍵詞：GPS前端；低噪聲放大器；高增益；移動臺

0引言

GPS導航設備隨著嵌入移動終端產品得以普及，而手持終端產品對于GPS系統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備本身的成本，還包括GPS系統在使用過程中的能量損耗（源于對功耗的敏感性）這對于手持設備是至關重要的。在功耗滿足的情況下，低噪聲放大器的設計回歸到普遍的低噪聲放大器設計流程，而資用功率設計法成為此流程的基本方法。

1資用功率設計法

由于GPS的信號非常微弱，接收機前端接收到的信號功率為-130dBm到-133dBm[1]，此信號非常微弱，已經淹沒在噪聲里。GPS接收前端電路對GPS的信號捕捉至關重要。設計性能優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。簡單說來，資用功率設計法就是在將源阻抗匹配在最佳噪聲源阻抗后，最大限度的提高負載的匹配程度，以得到最大的增益。圖1給出了本設計的原理圖。以下就實際的設計考量進行討論。

2 GPS低噪聲放大器設計

2.1直流偏置

將射頻三極管偏置在合適的工作點應該是低噪聲放大器設計的第一步。從不同的應用出發，直流饋電電路的選擇是不同的。考慮到終端產品對成本和性能的要求，選擇較為簡單的電阻反饋偏執電路，R1和R2饋入直流，且R2提供穩定工作點所需的直流負反饋。直流工作點的選擇出發點在于增益、線性度、噪聲指數和功耗的折中。高的靜態電流有利于提高增益和線性度，但是噪聲指數也會隨著集電極電流的增加而增加，同時大電流也會增加功耗。分析廠商給的數據知道，BFP740F在漏極電流為10mA左右時，可獲得較好的噪聲系數指標，是我們設置直流偏執的依據。

2.2穩定性考慮

放大器的潛在不穩定性是設計過程中必須考慮的問題，基于此，設計目標是在全頻段的無條件穩定，這意味著對于放大器的輸入端和輸出端加載任意阻抗，電路都不會有振蕩現象出現[2]。無條件穩定的充分必要條件由Rollett穩定系數給出。利用晶體管供應商提供的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定的。在低于8GHz的頻段上，引入兩種方法將射頻管保持絕對穩定。引入穩定電阻R3，此電阻會惡化放大器的增益和壓縮點，通過調節阻值來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。通過兩段并聯微帶線（0.1mm×1.5mm）來實現此電感，如圖2（a）。穩定后的晶體管Rollett系數值由圖2（b）給出，晶體管在全頻段達到穩定狀態。

2.3噪聲匹配

對低噪聲放大器性能考察的出發點應該是噪聲系數，為達到噪聲系數的要求，有理由對增益，駐波等其他指標作妥協。較高的電流有利于增益的調高和線性度的改善，但是會使噪聲系數惡化。對單級放大器而言，噪聲系數NF由下式給出：

其中NFmin 為晶體管最小噪聲系數，由晶體管本身決定，Γopt ，Rn ，Γs 分別為獲得NFmin 時的最佳源反射系數、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數。晶體管的源端所接信號源的阻抗等于它所要求的最佳源阻抗時，由該晶體管構成的放大器的噪聲系數最小[4]。然而，最佳噪聲匹配源阻抗一般都不是滿足最大增益時的源阻抗，因此，需要進行噪聲和增益的折中。本設計將源阻抗匹配在噪聲系數低于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，只需將負載端進行共軛匹配[5]。

2.4仿真驗證

通過CAD軟件模擬低噪放的噪聲系數和增益。圖3給出了噪聲系數的仿真結果。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，如Mark1所示。考慮到與增益的折中，最終的噪聲系數仿真數據為Mark2所示的0.671dB。由散射參數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噪聲系數測試

低噪聲放大器的實際測試使用Y因子方法，Y因子方法使用一個與被測件輸入端直接連接的噪聲源，提供兩個輸入噪聲電平。Y因子方法易于使用，特別是當噪聲源具有良好的源匹配并且被測件直接連接時，測試可獲得良好的精度。由圖5，低噪聲放大器的實際噪聲指數為0.7 dB，與仿真數據接近，驗證了仿真對于實際設計的指導意義。

4結束語

給出了一種實用的GPS前端低噪聲放大器的設計方案。在滿足高增益要求的前提下，可以得到0.7dB的噪聲性能，測試方法由文獻[6]給出。可以作為移動通信終端搭載的GPS前端LNA的備選方案。

參考文獻：

[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，February 2002.

作者簡介：

尹興（1983-），男，中國電子科技集團公司第54研究所，工程師，從事射頻電路研究和設計。