芯耀
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一、简介
LNA是射频RF和微波系统中的关键组件，主要用于放大微弱信号而不显著降低信噪比（SNR）。LNA设计的核心挑战之一是确保有源器件（通常为晶体管）的正确偏置电路，同时维持出色的射频性能。
二、理解偏置网络
在LNA设计中，偏置网络主要实现两大功能：
- 建立直流工作点：提供必要的直流电压和电流，设定晶体管的工作点。
- 保障射频性能：必须将直流偏置与射频信号隔离，避免对信号完整性和LNA的整体性能产生不利影响。
三、偏置网络的组件
- 偏置器（Bias Tees）：通过电感器阻隔射频信号进入直流电源，用电容器阻隔直流进入射频路径，实现直流与射频信号的合路。
- 去耦电容器：滤除直流电源线路中的射频信号。
- 射频扼流圈（电感器）：阻止射频信号进入直流偏置网络。
- 电阻器：设定正确的直流工作点，并可用于反馈网络。
四、设计注意事项
- 阻抗匹配：确保对射频信号路径的干扰最小。
- 隔离度：防止射频信号影响直流电源。
- 旁路与滤波：使用电容器确保射频信号不出现在直流线路上。
- 热稳定性：在温度变化范围内维持稳定的工作点。
五、典型设计流程示例
以采用GaAs FET作为有源器件的典型LNA设计为例，我们将重点分析FET栅极和漏极的偏置网络设计。
1、步骤1：确定偏置点
对于给定的FET，假设所需偏置点如下：
- 栅极电压（VG）：-0.5V
- 漏极电压（VD）：3V
- 漏极电流（ID）：10mA
2、步骤2：栅极偏置网络设计
栅极偏置网络需为栅极提供-0.5V电压，同时阻隔射频信号。
包含的器件：
- 偏置电阻（RG）：设定栅极电压。
- 射频扼流圈（LG）：阻隔射频信号。
- 去耦电容器（CG）：滤除偏置网络中的射频信号。
计算：
1. 选择RG设定栅极电压：
由于栅极电流（IG）通常可忽略，栅极电压VG=-0.5V。
2. LG的阻抗要求：
LG需在工作频率（f0）下具有高阻抗。电感器阻抗公式为
ZL=jωL=j2πf0L，假设f0=2GHz：
微带线实现：
- 使用高阻抗微带线（窄线宽）实现LG。
- 将CG放置在靠近栅极的位置，以将射频信号旁路到地。
3、步骤3：漏极偏置网络设计
漏极偏置网络需为漏极提供3V电压，同时隔离射频信号。
组件：
- 射频扼流圈（LD）：阻隔射频信号。
- 去耦电容器（CD）：滤除偏置网络中的射频信号。
计算：
- 选择LD以阻隔射频信号，同样使用公式ZL=jωL。
假设f0=2GHz：
微带线实现：
- 使用高阻抗微带线来实现LD。
- 将CD靠近漏极放置，以将射频信号旁路到地。
六、示例配置与设计
1、原理图概述
- 输入网络：射频信号通过匹配网络和耦合电容传输至栅极。
- 栅极偏置网络：采用高阻抗微带线作为射频扼流圈，去耦电容接地。
- 漏极偏置网络：高阻抗微带线作为射频扼流圈，去耦电容接地。
- 输出网络：放大后的信号通过匹配网络和隔直电容从漏极输出。
2、实现步骤
1. 微带线设计
- 使用微带线设计公式或软件工具（如ADS、HFSS）进行精确布局。
2. 元件选型
- 选择等效串联电阻（ESR）低、自谐振频率（SRF）高的电容器。
- 确保电感器在工作频率下具有高品质因数（Q值）。
3. 仿真与优化
- 使用ADS、HFSS等软件对LNA电路进行仿真。
- 优化布局以最小化插入损耗和反射。
结论
使用微带传输线设计LNA偏置网络时，需在提供必要直流工作点与确保射频性能间谨慎权衡。通过合理布局电感器和电容器，并采用高阻抗微带线，设计者可在保持优异信号完整性的同时实现有效偏置。通过详细计算和精心的元件选型，能够实现稳健且高性能的LNA设计，提升射频与微波系统的整体性能。
