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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
16、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，射频设计成了移动通信机设计的瓶颈，细究其原因有如下三点： 1、射频设计要求设计师具有较宽的知识面。例如射频设计师应通晓根据通信理论发展而来的各种调制机理及各种无线通信的标准和各种通信协议，应具有关于随机信号、微波技术、电
17、波传播、多址接入、电路理论、晶体管器件特性等各方面的知识，会使用各种CAD工具等等。2、与基带级几乎可以全部采用成熟的数字集成电路相比，射频级的集成电路还处于发展阶段，有些器件需要外接。如电感还不能完全集成，模块之间存在的匹配问题，这些都给设计造成了困难。3、对射频电路来说，计算机辅助分析和综合的工具还只处于起步阶段，利用这些工具进行的分析和综合结果只能起到参考的作用。因为目前在电路CAD工具的软件中，对射频部分器件的非线性、时变特性、电路的分布参数和不稳定性以及一些外接部件都缺乏精确的模型，因此射频电路的设计在很大程度上还取决于设计师的实验调试和经验。由于微电子技术和通信事业，特别是移动通信
18、的飞速发展，要求电路集成化程度越来越高，射频电路也不例外。对于这些集成电路，除了要求优良的性能外，还提出了低成本，低功耗，小体积和轻重量等等苛刻的要求，因此介绍射频电路的设计也必须围绕射频集成电路的设计和使用，只有这样才能跟上并推动飞速发展的通信事业。第二章 低噪声放大器的基本理论 低噪声放大器（low-noise amplifier，简称LNA）是射频接收机的主要部件。它主要有四个特点。1、低噪声放大器位于接收机的最前端，这就要求它的噪声越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定
19、的。2、低噪声放大器所接收的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随许多强干扰信号混入，因此要求放大器有足够大的线性范围，而且增益最好是可调的。3、低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或天线滤波器相连，放大器的输入端必须和它们很好的匹配，以达到功率最大传输或最小的噪声系数，并能保证滤波器的性能。4、应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频带放大器。本章主要对LNA 的噪声、增益和带宽、阻抗匹配以及线性度、电路拓扑结构等这几个主要方面的基本理论知识进行详细的分析和讨论。2.1 射频小
20、信号放大器电路的主要技术指标在无线通信系统中，到达接收机的射频信号电平多在微伏数量级。因此，需要将微弱的信号进行放大。射频小信号放大器电路是无线通讯接收机的重要组成部分。对于射频小信号放大器电路要求具有低的噪声系数，足够的线性范围，合适的增益，输入/输出阻抗的匹配，输入/输出之间良好的隔离。在移动通信设备中还要求具有低的工作电源电压和低的工作消耗。特别要强调的是，所有这些指标都是互相联系的，甚至是矛盾的，在设计中如何采用折中的原则，兼顾各项指标，是很重要的。2.1.1 增益增益是表示放大器对有用信号的放大能力，定义为放大器的输出信号与输入信号的比值。对于选频放大器电路，通常用在中心频率fo（或
21、者o）上电压增益和功率增益两种方法表示：电压增益： （2.1） 功率增益： （2.2）式中，Uo、Ui分别为放大器中心频率上输出、输入的电压有效值，Po、Pi分别为放大器中心频率的输出、输入功率，通常用分贝表示。射频小信号放大器电路的增益要适中，过大会使下级混频器的输入太大，产生失真。太小不利于抑制后面各级的噪声对系统的影响。射频小信号放大器电路的增益与器件的技术特性、工作状态和负载有关，需要选择合适的工作频率、电流偏置、输入/输出匹配网络。一般要求电路的增益是可控制的，改变放大器的工作点，改变放大器的负反馈量，改变放大器谐振回路的Q值等参数可以控制电路的增益，通常采用自动增益控制电路实现。2
22、.1.2 通频带为保证频带信号无失真地通过放大器电路，要求其人增益频率响应特性必须由与信号带宽相适应的平坦宽度。通频带定义为放大器的增益下降3dB时的上限截止频率与下限截止频率只差，即放大器电路电压增益频率响应特性由最大值下降3dB时，对应的频带宽度，为放大电路的通频带。通常以BW0.7表示，如图2.1所示。(a) 理想的幅频特性 (b) 实际的幅频特性图2.1 选频放大器的幅频特性2.1.3 选择性 选择性表示放大器对通频带以外的干扰信号的滤除能力，即指对通频带之外干扰信号的衰减抑制能力。选择性有两种描述方法：一是用矩形系数来说明邻近信道选择性的好坏；二是用抑制比（或称抗拒比）来说明对带外某
23、一特定干扰信号信号的抑制能力的大小。矩形系数用K0.1来表示，其定义为： （2.3）式中，BW0.1是增益下降到最大值的0.1倍时的频带宽度。BW0.1和BW0.2之间的频率范围称为过渡带。K0.1间接反映了过渡带与通频带的频宽比。K0.1越小，过渡带越窄，选择性越好。理想状态的K0.1等于1，实际的K0.1总是大于1。在工程中，放大器的带宽范围往往被通信系统预先确定。因此，对于满足带宽要求的选频放大器来说，可以采用S参数的方法来表示图2.1（b）的选择性。S参数定义为：过渡带内某特定频率条件下的增益A（1）与通频带内的最大增益Ao的比值，即：S=A（1）/Ao （2.4）显然，s值越小的电路
24、选择性越好。若选用谐振电路作为选频电路时，过渡带的宽窄与谐振回路Q有直接的关系，Q越大过渡带越小，电路的选择性越好。放大电路的通频带与选择性是相互制约的，即通频带大必然使选择性差。抑制比用表示，其定义为： （2.5）式中，Ap（fo）是中心频率上的功率增益，Ap（fn）是某一特定干扰频率fn上的功率增益。抑制比用分贝则为： （2.6）2.1.4 线性范围线性范围主要由1dB压缩点和三阶互调截点IP3来度量。在射频小信号放大器电路中，器件的跨导随输入信号幅度的增加而减少，此现象称为增益压缩。对应于输入信号幅度值Uin，增益比线性放大增益下降1dB的那一点称为1dB压缩点，如图2.2所示。1dB压
25、缩点常用来度量放大器的线性特性。当两个频率接近的信号输入到射频小信号放大器时，由于器件的非线性会产生许多组合频率分量，这些组合频率分量有可能落在放大器频带内，即在放大器频带内的频率分量除了基波外，还可能有组合频率2 和2。这些组合频率分量形成对有用信号的干扰。这种干扰并不是有两个输入信号的谐波产生，而是由这两个输入信号的相互调制（相乘）引起的，所以称为互调（Interdulation，IM）失真。由非线性器件的三方项引起的互调失真称为三阶互调失真，由五次方互调失真引起的互调失真称为五阶互调失真。图2.2 放大器的1dB压缩点可以在互调失真比和三阶互调截点两个指标中选一个来衡量放大器的互调失真程
26、度。更常用“三阶截点IP3”（Thirdorder intercept point）来说明三阶互调失真的程度。三阶互调截点IP3定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点，此点所对应的输入功率表示为IIP3，此点对应的输出功率表示为OIP3（一般放大器中常用OIP3作为参考，在混频器中常用IIP3作为参考）。输出有用功率Po与输入功率Pi成正比，而三阶互调输出功率与输入功率Pi的三次方成正比。三阶互调截点IP3示意图如图2. 3（a）所示，它们的相交点即为三阶截点IP3。用对数坐标方程表示为 （2.7）式中，为放大器的功率增益；Pi为放大器的输入功率；为放大器的三阶互调功率增益；为基波功率；为三
27、阶互调功率。在以对数形式表示的坐标上，它们是两条直线，如图2.1.3（b）所示，图中分别标出了IIP3和OIP3的值。 （a） (b) 图2.3 三阶互调截点IP3示意图在讨论射频小信号放大器电路中的线性范围时要注意三个问题：一是线性范围和器件有关，场效应管由于是平方律特性，因此它的线性要比双极型晶体管好；二是和电路结构有关，例如加负反馈、单管放大改为差分放大等均能改善线性范围；第三，输入端的阻抗匹配网络也会影响放大器的线性范围。射频小信号放大器电路与其信号源的匹配是很重要的。放大器与源的匹配有两种方式：一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配，二是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹
28、配。一般来说，现在绝大多数的射频小信号放大器均采用后一种匹配方式，这样可以避免不匹配而引起射频小信号放大器向天线的能量反射，同时，力求两种匹配接近。匹配网络可以用纯电阻网络，也可以用电抗网络。电阻匹配网络适合于带宽放大。但它们要消耗功率，并增加噪声。采用无损失的电抗匹配网络不会增加噪声，但只适合窄带放大。2.1.5 隔离度和稳定性 增大射频小信号放大器的反向隔离可以减少本振信号从混频器向天线的泄露程度。在超外差式接收机中，由于射频小信号放大器和混频器间一般有抑制镜像干扰的滤波器，且第一中频的数值较高，本振信号频率位于滤波器通带以外，因此本振信号向天线的泄漏比较小。但在零中频方案中，本振信号泄漏
29、则完全取决于射频小信号放大器的隔离性能。同时，射频小信号放大器的反向隔离度好，可减少输出负载变化对输入阻抗的影响，简化其输入、输出端的匹配网络的调试引起反向传输的原因在于器件极间电容及电路中寄生参数的影响，它们也是造成放大器不稳定的原因。例如会在某些频率点上，由于源阻抗和负载阻抗的不适当组合，变成正反馈，引起不稳定，甚至震荡。放大器的稳定性是随着反向传输的减少，即隔离性能的增加而改善的。当放大器的工作状态（如偏置）、交流参数，以及其它电路元件参数发生变化时，放大器的主要性能会发生变化，造成不稳定现象。不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大
30、器自激震荡，可致使放大器完全不能够工作。一般来说，可以采用稳定工作点、限制放大器的增益、选择内反馈小的放大元件器件等方法来解决稳定性问题。寄生反馈是引起不稳定的主要原因，必须尽力找出寄生反馈的途径，力图消除一切产生反馈的因素。2.1.6 噪声系数 射频小信号放大器的输出噪声来源于输入端和放大电路的本身。噪声系数是用来描述放大器本身产生噪声电平大小的一个参数。放大器本身产生噪声电平的大小对所传输信号，特别是对微弱信号的影响是较大的。为减小放大器的内部噪声，在设计与制作放大器电路时，应采用低噪声放大元器件，以及正确选择工作状态和适当的电路结构。同其它随机过程一样，噪声特性也可以用概率密度函数PDF
31、(probability density function)和功率谱密度PSD (power spectral density)来描述。存在于所有电路中的是热噪声，它是一种由导体中电子的随机运动而产生的噪声。所以电阻成了电路中最普通最常见的噪声源之一。热噪声的功率谱密度为： （2.8）式中，T 是电阻的开尔文Kelvin 温度，k 是玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K）,R 是电阻阻值， 是信号带宽。单位V2/Hz，有时也经常用电压形式表示为V/ Hz 。除了热噪声，还有散粒噪声（shot noise）和闪烁噪声(flicker)。散粒噪声是Gauss分布的白噪声，由电荷越过一定的能量势垒
32、（如PN 结）形成。其PSD 为 （2.9）式中，其中q 为电子电荷，I 为平均电流。对于双极型晶体管，集电极和基极电流的散粒噪声可以分别模拟成在集电极和发射极、基极和发射极之间的电流源。而闪烁噪声的起因很多，但主要是由在不同的晶体界面处和晶格缺陷出现的许多“悬挂”键而产生的额外的能态。当电荷载流子运动到这个界面时候，某些被随机地俘获，随后又被这些能态释放，结果产生了闪烁噪声。而且信号频率越低这个闪烁噪声越大。这种效应MOSFET 器件最明显。主要在其栅氧化膜和硅衬底接触面。其PSD 可以近似可以用下式表示： （2.10）式中，K 是一个与工艺有关的常量，W 和L 分别为MOSFET 器件沟道
33、的宽度和长度。由于其功率谱密度与频率的倒数成正比，所以常又称闪烁噪声为1/噪声。由上式可以看出该噪声主要对低频有影响。双极型晶体管也有闪烁噪声，但比场效应晶体管要小的多。注意到可以通过一些噪声源来得到总噪声，但这些噪声源彼此之间必须考虑。最普遍使用的假设是所有噪声源是随机的，彼此之间没有相关性。如此，加入的是噪声功率而不是噪声电压。同样，不同频率下的噪声也不相关，加入的也是噪声功率。像噪声一样，注意到信号在不相关的不同频率下也是不相关的。这样，可以以功率来描述总的输出信号。另一方面，若两个信号源相关则电压相加即可。 射频小信号放大器电路主要技术指标之间，既有联系又有矛盾，例如增益和稳定性，通频
34、带和选择性等，需根据实际情况决定主次，进行合理设计与调整。2.2 低噪声放大器基本拓扑结构分析2.2.1 共发射级结构LNA共发射级能够同时放大电压和电流，但同时这种结构也有其局限性。如图2.4所示的电路，Q2和I1决定了Q1的偏置电流，R1将信号路径从Q2的噪声隔离开来，R2维持在R1上由于Q1的不可忽略的基级电流在R1上产生的同样压降。如果R1远远大于Rs，则偏置电路对LNA性能的影响可以忽略不计。Q1必须是一个尺寸大的器件且有相对较大的偏置电流。但是，增加器件的尺寸就会导致电容（Cje和Cje的密勒效应增加）变大，其后果是减弱输入信号和“放大”Q1和Rc的噪声。此外，更大的集电极基极电容
35、衬底电容会降低电压增益，同时增大偏置电流会导致基极发射极扩散电容的增大和基极散粒噪声的增加。正式因为这些原因，噪声因子会在Q1特定的尺寸和偏置电流下，取得最小值。共发射极的小信号增益同时依赖于Q1的寄生参数和负载阻抗。如果LNA要驱动一个50的负载并维持相当的增益，这时就需要第二级。这样，第一级就必须驱动第二级的输入电容和提供足够高的增益，以减小后级对噪声的贡献。这两级通常设计成为一个整体，以使总的噪声因子最小化及输入IP3的增益最大化。图2.4 简单双极型LNA2.2.2共基极结构LNA如图2.5（a）所示。该电路相对于共发射极电路具有三个优点：更为简单的输入匹配、更高的线性度和更大的逆向隔
36、离。忽略发射极和基极电阻，则输入阻抗为 ，当Ic约等于0.5mV时，得到输入阻抗的电阻部分为50。C的影响要么可以忽略不计，要么就被外部电感补偿掉了。在共基极电路中，源电阻Rs线性化电路的输入输出特性是通过“软化”发射极电流的漂移实现的。这与共发射极电路形成对比，比共发射极电路中，源电阻仅仅反映基极电流的变化。当Rs=(50)，对于该电路，通过模拟可以预知输入IP3近似为-6.8dBm。如果基极偏置被适当地交流短接，则这个拓扑结构也表现出很高的逆向隔离，该作用被证实在零差体系结构中是很有用的。共基极电路最主要的缺点是噪声系数相对较大。2.2.3两级结构双极型LNA如图2.5（b）所示。该简化电
37、路包括两个共发射极，其中一个有电感兼并支路，另外一个有电阻性反馈支路。用焊接引线实现并提供第一级与地之间的连接，电感Le在电路中起到双重作用，它不仅为输入提供了共轭匹配，同时还对电路起到了线性化的作用。忽略Cu和r的影响，得到输入阻抗的表达式如下： （2.11）因而，适合选择gm、Le和C，可以使用rb+gmLe/C=50,同时式2.11中的最后两项相互抵消。 图2.5 共基结构LNA（a） 二级共射结构LNA（b）第二级中的反馈支路同时提供使电路线性化和降低输出阻抗的作用，但是一更高的噪声为代价。两极之间的界面是一个普通问题的例子：适当选择第一级的增益和第二级的噪声和非线性问题。注意到，第一
38、级的增益要足够高以减小第二级对噪声的贡献，但是不要高到让Q2的非线性来决定整体IP3的程度。因而，完整的设计要通过反复调试以得到一个可接受的折衷方案。同时该LNA的直流偏置必须保证一个恒定增益来应对温度和电源电压变化的影响。第三章 增益射频放大器的硬件设计 由于移动台用户的随机移动，它离基站的距离是不确定的，因此接收到基站的信号的强弱变化很大，形成所谓的“远近效应”。为了保证良好的接收效应，要求在接收弱信号时保证有一定的信噪比。因此，为保证良好的接收效果，在接收机中必须采用自动增益控制。本设计所采用方案如下。3.1硬件连接图可控增益放大器电路图见附录一。设计原理：本系统采用软件和硬件相结合的办
39、法，利用单片机和可编芯片来实现放大器的放大作用。芯片AD625为可编程增益放大器，在本系统中，AD625加外围电阻网络，通过模拟开关（AD7502）与单片机8031相连。单片机通过软件对模拟开关发出控制信号来接通或断开某路开关，以选择某个增益，即实现可编程选择增益。3.2电路所需芯片简介3.2.1 8031芯片简介8031单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机内包含下列几个部件：一个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；4K字节ROM程序存储器；128字节RAM数据存储器；两个16位定时器/计数器
40、；可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路；32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；一个可编程全双工串行口；具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。、芯片的引脚描述(图如上所示)主电源引脚VCC和VSS VCC（40脚）接+5V电压； VSS（20脚）接地。外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）：接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的
41、反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。 图3.2 8031芯片控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范
42、围（50.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以 不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储 器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取
43、指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在 此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对 851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不 管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。对于EPROM型的单片机（如8751），在EP
44、ROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流方式驱动8个LS型的TTL负载。P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收 或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕 捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序
45、验证时，它接收低8位地址。P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。表3.
46、1 P3各口线的第二功能定义口线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）P3.212INT0（外部中断0）P3.313INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0外部输入）P3.515T1（定时器1外部输入）P3.616WR（外部数据存储器写脉冲）P3.717RD（外部数据存储器读脉冲）、单片机的片外总线结构单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入，用户I/O口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。这些引脚构成MCS-51单片机片外三总线结构，即： 1、地址总线（AB）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。 2、数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P