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1、摘要随着半导体工艺技术的快速发展，射频电路器件的设计已逐渐形成无线通信发展的一个新潮流，也成为射频全芯片集成电路方面一个新的研究热点。低噪声放大器（Low Noise Amplifiers, LNA），就是用于便携式通信、蓝牙系统、卫星通信系统、相阵雷达系统等无线通信设备接收系统中的关键器件之一，其噪声、功率增益、信号带宽以及动态范围等性能直接影响着整个射频接收系统。因此，进行LNA设计技术的研究和积极探索对于射频集成电路设计和高性能、低成本的无线产品开发都具有很重要的意义。根据目前射频通信电路的发展状态和趋势，本文主要进行了接收机的射频前端可增益低噪声放大器的研究和设计。以此为导向，开展了L
2、NA相关知识资料的搜集、分析和拓扑结构与版图的设计、优化以及芯片测试研究等工作。并根据电路结构提出了参数优化方案，取得了比较满意的设计效果，最终设计出了性能指标较好的低噪声放大器。关键词：射频通信电路，低噪声放大器，可变增益放大器。ABSTRACTAs the semiconductor process develops rapidly, it gradually becomes a new trend in development of Radio frequency circuit components design, and it becomes to be a new research
3、 region and hotspot in RF whole wafer IC design. LNAs are one of the key components in wireless communication equipments, such as portable communic ation, blue-tooth system, satellite communication system, phase array radar system etc. Its performances such as noise figure, power gain, signal bandwi
4、dth and SFDR will directly have an effect on the whole RF system. So it has important significance to do profound research and exp loiture of LNA for RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit) design and low cost, high performace wireless products.According to present radio communication electric circ
5、uits development condition and tendency, This article has mainly conducted receivers low noise amplifier research and the design.low noise amplifiers noise performance, circuit topology design, circuit layout design, performance optimization and the test techniques of device are deeply researched an
6、d made a more systematic analysis and study in the paper, the parameter optimization methods also are demonstrated, which got the satisfying results. At last, a better performance, well worked LNA in all kind of technical specifics is designed.Key works : radio communication electric circuit, low no
7、ise amplifiers, variable gain amplifier- 1 -目录第一章 绪论- 1 -1.1 通信系统的组成- 1 -1.2 移动通信的射频设计- 2 -1.3 射频设计在移动通信机设计中的重要地位- 3 -第二章 低噪声放大器的基本理论- 4 -2.1 射频小信号放大器电路的主要技术指标- 4 -2.1.1 增益- 4 -2.1.2 通频带- 5 -2.1.3 选择性- 5 -2.1.4 线性范围- 6 -2.1.5 隔离度和稳定性- 8 -2.1.6 噪声系数- 8 -2.2 低噪声放大器基本拓扑结构分析- 10 -2.2.1 共发射级结构LNA- 10 -2.
8、2.2共基极结构LNA- 10 -2.2.3两级结构双极型LNA- 11 -第三章 增益射频放大器的硬件设计- 12 -3.1硬件连接图- 12 -3.2电路所需芯片简介- 12 -3.2.1 8031芯片简介- 12 -3.2.2芯片AD625简介：- 15 -3.2.3 芯片AD7502简介- 20 -第四章 系统软件设计- 24 -4.1软件完成主要功能- 24 -4.2 程序框图- 24 -4.3 软件程序- 25 -4.4 实验与调试- 25 -第五章 射频放大器其它设计方案- 26 -5.1 自动增益控制技术- 26 -4.2可变增益放大器- 28 -总结- 30 -参考文献- 3
9、1 -致谢- 32 -附录一：- 33 -附录二：- 34 -第一章 绪论 近30年来无线移动通信是电子信息产业中发展最为迅速的一个分支。现在利用无线手机进行双向通信是一件很平常的事，但这却是许多科学家和工程师历经百年努力奋斗的结果。1864 年英国物理学家麦克斯韦（J. Cleck Maxwell）总结了前人在电磁学方面的工作，得出了电磁场方程，从理论上证明了电磁波的存在。1887 年德国物理学家赫兹（Hertz）用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦的理论得到了证实。从此，许多国家的科学家开始努力研究如何用电磁波传输信息，这就是无线电通信。1901年英国科学家马可尼成功的实现了无线电信号横越大
10、西洋，可以认为从那时起射频电子技术正式诞生。1936 年，波导传输线被George Southworth 和W.L. Barron 发现。他们通过实验证明了波导可以作为载带微波传输媒质，并能用于大功率的微波传送。但是波导结构由于体积大、成本高，很快被1950 年后发展起来的平面传输线所取代。其中1952 年出现的微带线，由于成本低、易于集成等优点，是平面传输线中应用最广泛的一种结构。1948 年肖克莱（W. Shockley）等人发明了晶体三极管，这是电子技术发展史上又一个重要里程碑。60 年代开始，出现了将晶体管和微带线相结合的电路设计方法。“管”、“路”的结合促成了微波集成电路（MIC）的
11、发展。发展初期是由分立的固态有源器件与集成的无源元件构成的混合微波集成电路（HMIC）。80 年代初开始向着同一块基片上同时集成有源器件与无源元件的单片射频集成电路（Radio Frequency Integrated Circuit, RFIC）的方向发展。1.1 通信系统的组成通常我们把信息从发送者送到接受者的过程称为通信，而实现信息传输过程的系统称为通信系统。图0.1表示一个通信系统的基本组成。信息 源 输 入 变换器 发射 机 信 道 接收 机 输 出 变换器 授信 者 噪声和干扰 图1.1 通信系统的组成在通信系统中，一般进行两种变换和反变换。在发送端，第一个变换是输入变换器，它把要
12、传递的信息变换成电信号，该信号一般是低频的，而且包括零频附近的分量。通常称该信号为基带信号（baseband），它可以是模拟信号，也可以是数字信号。第二种变换是发射机将基带信号变换成其频带适合在信道中有效传输的信号形式，并送入信道。这种变换称之为调制。调制后的信号称为已调信号，或称为通带信号（passband）,去调制的基带信号又可以称为调制信号。在接收端，接收机与发射机的功能相反，它从信道中选取欲接受的已调波并将其变换为基带信号，此变换称为解调。输出变换器将解调后的基带信号变换为相应的信号。在无线通信中必须把基带信号变成射频已调信号的原因主要有两点。第一是为了有效地把信号用电磁波辐射出去。为
13、了有效的将信号的能量辐射到空间，必须要求天线的长度和信号的波长可比拟。而基带信号一般来说是频率较低的信号，如直接辐射话音信号是不可能的。因此为了有效的辐射，发射信号必须是高频。采用调制的第二个原因是为了有效的利用频带。一般要传送的信号的频率范围都差不多，只有将不同的信号调制到对应的不同的频率在载波上，变成中心频率不同的频带信号，接收机才能任意选择所需要的信号而抑制其余不需要的信号和干扰。无线电波在空间长距离传播会有很大的损耗，所以在接收机天线上感应的信号是微弱的，常常只有零点几微伏，同时无线电波在空间传播会受到各种障碍物的反射、散射等，使得接收天线收到的信号是由多条途径传输叠加的结果，造成所谓
14、多径衰落。无线信道又是敞开式的，接收天线可以收到各种其他的同频道或临近频道的干扰信号，有时这种信号远比所需信号大，从而对所需信号的有用信号造成极为严重的干扰。移动接收中电波的多普勒频移、频谱色散等，这些都严重地影响了信号的接收，所有这一切对移动通信来说都是一种挑战，可以说无线移动通信是条件最为恶劣的一种通信。迅速发展的移动通信技术正是为了克服移动无线信道的缺陷，保证通信的高速和高可靠性，使通信方式更加灵活、便利。1.2 移动通信的射频设计如果按照电路结构来划分，一个无线移动通信机又可以分为射频级和基带级两大部分。基带级处理基带信号，射频级处理射频信号。可进一步细化成典型的模拟通信的收、发射机或
15、者数字通信的收、发射机，如图1.2所示。调 制调 制下变频 载波 功率放大器 低噪声放大器 载波 音频放大（a）发射机 （b）接收机图1.2 模拟通信机的射频级电路方框图在图中射频电路是实线框内的部分，即射频部分完成的功能主要是调制、解调、功率放大、低噪声放大和频率变换。在发射机中，在调制后有时也采用上变频，将已调信号再搬移到所需的发射频道上。功率放大器放大已调信号到一定的功率值，使其能够传输相当的距离以便接收机接收。在接收机中，低噪声信号在尽量少增加噪音功率的前提下，放大由天线接收到的高频微弱信号，使其能达到解调器所要求的电平。接收机中的下变频是将高频已调波的频谱转移到适合解调或进行模数变换的频段。1.3 射频设计在移动通信机设计中的重要地位综上所述，在移动通信的收发信机中，射频部分要处理的是宽动态范围的高频模拟信号，而基带部分完成对频率较低的数字信号或模拟信号的处理功能。当前所用的无线数字手机包含了多于100万个晶体管，基带部分占据了其中的极大部分，而射频部分仅使用很少的晶体管。从规模角度来看，基带部分远比射频部分庞大，但是现代无线手机设计的难点在射频。可以说，射频设计成了移
