适于超宽带放大器的增益平坦化反馈技术.PDF

第 37卷 第 11期 北 京 工 业 大 学 学 报 V01．37 No．11 2011年 11月 JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITY OFTECHNOLOGY NOV．2Ol1 适于超宽带放大器的增益平坦化反馈技术 谢红云，路志义，霍文娟，丁春宝，刘波宇，张东晖，张万荣 (北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京 100124) 摘 要 ：为研究反馈技术对宽带放大器增益平坦度 的影响，从异质结晶体管 (HBTs)的小信号模型人手 ，得到几 种不 同反馈形式下 HBTs的Js参数解析表达式．分析不同反馈形式对 S参数的影响及传输增益 s，的幅度变化． 在这几种反馈技术中，纯电阻负反馈可以改进整个超宽频带内的反射 ，实现宽带的输入输出匹配；引入串联 电感 或并联 电容等 电抗元件，采用串联电阻和电感或并联 电阻和 电容的电抗性反馈可使 s：。的幅度随着频率的增大 而逐渐上升，从而补偿晶体管本身高频增益的下降，同时也抵消电阻负反馈引起的增益下降．综合优化 电阻反 馈和电抗反馈 ，能实现低噪声放大器在3．1—10．6GHz范围内的增益平坦性． 关键词 ：低噪声放大器 ；电抗反馈 ；超宽带；增益平坦化 中图分类号：TN722．75 文献标志码 ：A 文章编号：0254—0037(2011)11一t638—06 带宽在3．1～10．6GHz的超宽带技术 (ultra—wideband，UWB)要求位于无线接收机最前端的低噪声 放大器 (LNA)在整个带宽范围内具有良好 的输入输出匹配 、噪声特性 、增益特性和稳定性．异质结晶体管 (HBT)的截止频率高、噪声系数小，可作为低噪声放大器模块的有源器件 ．但 HBT的增益会随着频率 的增大而以6dB／倍频程的速率迅速下降 ，在整个频带内，增益平坦度的优化成为UWB系统中超宽带 低噪声放大器设计的关键问题． 采用达林顿对、宽带输入匹配滤波器、分布放大器、反馈技术等能实现超宽频带内的增益平坦和噪声 匹配 4]．文献[5]采用 Lc宽带输入匹配滤波器结构，实现了3．1～10．6GHz超宽频带 内的低噪声放大 器，由于Lc匹配网络对宽带匹配的局限性，整个频带 内的增益波动在 2．5dB左右，平坦度较差．文献 [6— 9]采用多级电阻反馈技术实现 3．1～10．6GHz频带内的增益平坦和低噪声性能，避免使用在片螺旋电感 减少了芯片面积 ，但 由于电阻引入的热噪声使整个系统的噪声系数相对较大 ，并且功耗也相对较大．在对 UWBLNA的研究中，对采用不同宽带匹配技术后电路 的电压增益、输入阻抗的理论分析较多，但很少直 接给出传输增益 s：的表达式．为了能更直接地分析反馈方式对增益平坦化的影响，本文分析加入反馈后 HBT的小信号等效电路，并得到相应晶体管的s参数表达式．研究几种不同反馈方式对4个 s参数分量， 尤其是对 s，的影响，将电阻性反馈电路和电抗性反馈电路结合，得到增强增益平坦化的反馈技术．采用 这种反馈技术设计 了一款超宽带低噪声放大器，仿真结果表 明，在整个频带范围内，传输增益在 2ldB左 右，增益平坦度在 1．3dB，噪声系数在 3．8dB以下． 1 反馈分析 1．1 电阻负反馈分析 共射极组态异质结晶体管的小信号等效电路模型如图1所示，其中g 是HBT的跨导，r、C 、 、C为 HBT的b—e结、c—e结间的小信号等效电路参数． 收稿 日期 ：2009—09—01． 基金项 目：北京市教委科技发展计划项 目(KM200910005001，KM200710005015)；国家 自然科学基金项 目 61006059)；北京市 自然科学基金项 目(4082007)． 作者简介：谢红云(1978一)，女，河北石家庄人，副教授． 万方数据 第 11期 谢红云，等：适于超宽带放大器的增益平坦化反馈技术 从图1的小信号等效 电路模型可以看出，HBT本 身固有的r、c、r“、c等等效电路参量会影响晶体管 的频率特性，使 HBT的增益随着频率的增大而 以6 dB／倍频程的速率迅速下降 ．要实现 3．1～10．6 GHz超宽频带 内的增益平坦，需要给晶体管的电路结 构