程冰 竹衛(wèi)崢 沈一鳴 范小龍(南京電子器件研究所,江蘇南京 210016)

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一種共電流型寬帶低噪聲放大器設計

程冰 竹衛(wèi)崢 沈一鳴 范小龍
(南京電子器件研究所,江蘇南京 210016)

【摘 要】本文設計了一種共電流型,寬帶的低噪聲放大器,主要特點是二只放大管電流共享,并且?guī)捿^寬。電路采用噪聲較低的0.5μm E—PHEMT器件,進行低噪聲電路的設計。為了實現(xiàn)較寬的工作頻帶,電路采用了適當?shù)呢摲答佋O計,綜合考慮了帶寬與低噪聲性能的結(jié)合,并增加了電路的穩(wěn)定性。本文還對共電流電路可能產(chǎn)生的電壓過沖問題進行了分析,提出了改良措施。本電路使用表貼工藝實現(xiàn)。

【關鍵詞】共電流 寬帶 低噪聲放大器

1 引言

低噪聲放大器廣泛應用于各種接收系統(tǒng)，由于寬帶低噪聲放大器的帶寬較寬，能適應更廣泛的應用場合。本文以某電路為例，簡要介紹了一種寬帶低噪聲放大器的設計，并且使用了共享電流方案設計，對電路功耗做了改善。

2 電路設計

圖1 放大器拓撲及電流流向示意圖

圖2 增益及駐波仿真

2.1 放大管的選擇

根據(jù)需求，對多個放大管生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品進行查詢，選擇Avago公司的GaAs場效應晶體管ATF-551M4。該放大管為E-PHEMT，工作在2.7V/10mA，最佳噪聲系數(shù)在2GHz為0.39dB，滿足本設計要求。

2.2 電路拓撲設計

總電路的拓撲設計如圖1所示。

圖3 噪聲及穩(wěn)定性仿真

圖4 實物照片

圖5 增益、駐波測試

圖6 初始狀態(tài)電壓過沖

表1 噪聲測試

電路采用2級放大管(A1、A2)，2級放大管都采用共源電路。共源電路噪聲低、增益高，適合本文低噪聲電路的設計需求。電容C1、C2、C3、C4、C6、C7、C8、C9、C12、C13僅起到隔直流的作用。

2.2.1 電抗匹配電路

電抗匹配電路是一種無損匹配，結(jié)構(gòu)簡單，用處廣泛，尤其是在低噪聲電路的輸入端匹配，使用較多。

放大管A1的電抗匹配元件為L3、L4、L6、C5。L3匹配輸入駐波和噪聲。L4匹配增益平坦度及輸出駐波。L6進行兩級放大管之間的駐波匹配。C5匹配輸出駐波。

放大管A2的電抗匹配元件為L8、L9、C10、C11。L8匹配增益平坦度及輸出駐波。L9、C10、C11匹配輸出駐波。

2.2.2 負反饋電路

本設計中負反饋電路主要起擴展帶寬以及提高電路穩(wěn)定性的作用，使用了串聯(lián)負反饋和并聯(lián)負反饋。源極電感形成源極串聯(lián)負反饋電路，柵極和漏極間的阻、容、感形成并聯(lián)負反饋。

A1、A2的源級有電感L5、L11，適當?shù)腖5、L11能實現(xiàn)一個有效的匹配狀態(tài)，在不惡化噪聲系數(shù)的同時，改善放大器的輸入駐波，并對放大器的穩(wěn)定性起到一定作用。

放大管A1的并聯(lián)負反饋電路元件包括C3、R4、L4。C3起隔直流的作用，R4是負反饋電阻，L4提高高頻增益。負反饋電路放在第一級放大管電路中，不免對放大器的噪聲產(chǎn)生惡化，所以主要考慮噪聲指標，并兼顧帶寬、輸入駐波和穩(wěn)定性。

放大管A2的并聯(lián)負反饋電路元件包括C8、R6、L8。C8起隔直流的作用，R6是負反饋電阻，L8提高高頻增益。負反饋電路放在第二級放大管電路中，主要考慮帶寬指標，并兼顧輸出駐波和穩(wěn)定性。

2.2.3 偏置及共享電流電路

電感L1、L2、L7、L10是扼流電感，配合褪耦電容C1、C2、C7、C12對放大管進行饋電。C13提供放大管A2的源極射頻接地。

放大管A1的工作電壓由R1、R2、R3、+V1狀態(tài)進行控制。柵壓Vg1由R1、R2分壓決定。R3是漏極分壓電阻，起保護作用。放大管A2的工作電壓由R7、R8、+V1狀態(tài)進行控制。柵壓Vg1由R7、R8分壓決定。R5是漏極分壓電阻，起保護作用。

電流流向如下:電流由+V2出發(fā)，經(jīng)過分壓電阻R5，扼流電感L7，匹配電感L8，進入放大管A2的漏極，從A2的源極流出，經(jīng)過源電感L11，形成放大管A1的電源，電壓為+V1。電流再由+V1出發(fā)，經(jīng)過分壓電阻R3，扼流電感L2，匹配電感L4，進入放大管A1的漏極，從A1的源極流出，經(jīng)過源電感L5到地，形成直流通路。

2.2.4 仿真結(jié)果

本文采用Microwave office 2002軟件，選用S參數(shù)模型進行仿真設計。選用RO 4350介質(zhì)板，介質(zhì)板參數(shù)為:H=0.508mm、Er＝3.38、T＝0.018mm。由于沒有預設工作點的參數(shù)模型，本文選用2.7V/ 10mA的S參數(shù)模型進行計算，仿真結(jié)果會存在稍微的誤差，但不影響總體設計。仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

從仿真結(jié)果看出，放大器噪聲較低，帶寬較寬，滿足設計的要求。

3 測試結(jié)果分析

按照以上設計方案，設計出的共電流型寬帶低噪聲放大器如圖4所示，產(chǎn)品為一塊8×8mm電路，使用時表貼在用戶系統(tǒng)中即可。

給放大器加電+5V，經(jīng)過略微工作點調(diào)試，使放大管A1、A2的工作電壓與設計相符。

測試數(shù)據(jù)如下:

電流測試為15.4mA。工作頻率0.2～3GHz。輸入輸出駐波小于1.5，增益28.3±1dB，詳細曲線見圖5。由于工作電壓和電流較低，輸出1dB壓縮點較小，僅8dBm。

噪聲數(shù)據(jù)見表1。

需要注意的是，共電流型放大器有個明顯的缺點:在施加電壓初始階段，+5V電壓經(jīng)過分壓電阻R5后，先全部加載在放大管A2上，A2的初始工作電壓不是預設的2V，而是接近+5V。

也就是說放大管的極限工作電壓要大于+5V，在選擇器件時就要注意。并且，為了防止放大器電壓擊穿，較少見到有3級或更多級放大器共電流的現(xiàn)象。

另外，初始電壓震蕩過沖，也可能造成放大管損壞，外加較大容值的電容或設計分壓電阻R5，也可以起到保護作用。不外加電容并短路分壓電阻R5，初始電壓震蕩過沖的圖形見圖6，過沖達到53.8%。

4 結(jié)語

本文介紹了一種共電流型寬帶低噪聲放大器的設計方法和模型。

本文中的放大器噪聲較低，帶寬較寬，并且結(jié)構(gòu)和工藝簡單，極大降低了產(chǎn)品功耗，并且做了防止電壓震蕩過沖設計，增加了電路的可靠性，并且工程實用性較強，可做作為類似產(chǎn)品的設計參考。

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作者簡介:程冰(1981—),男,安徽寧國人,中國電子科技集團公司第五十五研究所工程師,從事微波電路設計與研究;竹衛(wèi)崢(1983—),男,浙江嵊縣人,中國電子科技集團公司第五十五研究所工程師,從事微波電路設計與研究;沈一鳴(1983—),男,江蘇南京人,中國電子科技集團公司第五十五研究所工程師,從事微波電路設計與研究;范小龍(1989—),男,安徽馬鞍山人,中國電子科技集團公司第五十五研究所工程師,從事微波電路設計與研究。