低噪聲可變增益放大電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

［摘要］文章介紹一款可變增益放大電路在接收機(jī)前端的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，并通過利用ADS仿真和優(yōu)化得到實(shí)際應(yīng)用電路。該可變增益放大電路的最大增益為64dB，增益控制范圍大于83dB，最大增益時噪聲系數(shù)達(dá)到1.8dB。

［關(guān)鍵詞］低噪聲；可變增益放大器

［作者簡介］林磊，上海交通大學(xué)電子通訊與電氣工程學(xué)院電子工程系工程碩士，研究方向：低噪聲晶體管應(yīng)用，上海，201200；沈海根，上海交通大學(xué)，上海，201200

［中圖分類號］ TN721.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2009）04-0051-0004

一、引言

射頻信號傳輸時，由于信號傳輸距離、傳輸路徑損耗等傳輸條件的變化，接收機(jī)輸入信號的幅度會在很大范圍內(nèi)變化。因此，在接收機(jī)中經(jīng)常會采用增益控制電路，根據(jù)接收信號的大小控制接收機(jī)的增益。當(dāng)輸入信號小，前端放大器的增益最大，系統(tǒng)噪聲系數(shù)最小，以達(dá)到最高接收靈敏度；當(dāng)輸入信號大時，調(diào)低前端放大器的增益，以防止放大器和后級電路飽和引起飽和失真。根據(jù)這個方法，利用可變增益放大器的增益控制值和混頻器RSSI（接收信號強(qiáng)度指示）的輸出電平，進(jìn)行綜合判斷，就能估算出發(fā)射器與接收機(jī)之間的距離，再利用定向天線來判斷信號的方向，就能夠?qū)π盘栐催M(jìn)行定位。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，電路功耗低，發(fā)射器、接收機(jī)能長時間連續(xù)工作（發(fā)射機(jī)采用間歇發(fā)射，通?？梢赃B續(xù)工作6個月以上）。目前該方式普遍應(yīng)用在野外的動物跟蹤系統(tǒng)中。另外，該系統(tǒng)可以應(yīng)用在城市中獨(dú)居老人、智障人士等人群或者寵物、物品的跟蹤，便于失蹤人口、物品的尋找，減少事故的發(fā)生。

筆者需要設(shè)計(jì)一手持接收系統(tǒng)，工作頻率 ，要求接收靈敏度優(yōu)于-130dBm。針對該系統(tǒng)設(shè)計(jì)前端低噪聲可變增益放大器。

二、電路設(shè)計(jì)

無線電波在自由空間中傳播，其傳輸損耗Ls的表達(dá)式為：Ls=32.45+201gf+201gd。由式可見，自由空間基本傳輸損耗Ls與頻率f和距離d有關(guān)。當(dāng)f或和d增加一倍時，Ls均會增加6dB。因此無線通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度和工作頻率有關(guān)。用電池供電的發(fā)射機(jī)為了盡量延長工作時間，其發(fā)射功率有一定的限制。因此，當(dāng)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、工作頻率確定后，為了盡可能提高接收距離，就需要保證接收系統(tǒng)的高接收靈敏度。

（一）可變增益放大電路設(shè)計(jì)和測試

RFMD公司的RF2637是一款采用了低噪聲鍺硅工藝的可變增益放大。從數(shù)據(jù)表中可知：其85MHz工作頻率時增益控制范圍可以達(dá)到-55dB到+51dB，工作頻率12～385MHz，在25℃時噪聲系數(shù)為4～5dB，電源電壓3V，工作電流10mA，適用于電池供電的手持接收系統(tǒng)?？紤]用這款放大器作為跟蹤系統(tǒng)接收端的前端可變增益放大器。

1.RF2637放大電路

RF2637為MSOP-8封裝，其輸入輸出是差分電路，因此需要用Balun實(shí)現(xiàn)單端信號與差分信號之間的的轉(zhuǎn)換。該Balun選用Coilcraft公司的WBC3-1TL表面貼裝變壓器，最高RF輸入功率26dBm，3dB帶寬0.3～900MHz，在20～300MHz工作頻段內(nèi)其損耗小于0.6dB，其特性很適合RF2637。其電路如圖1所示。其中C7、C8、L5、L6為組成了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，C13、C14、L7、L8為輸出匹配電路，C11、C12用來交流接地，C9、C10為隔直電容，輸入阻抗單端為500Ω。C18、R7、C20為電源去耦電路，RF2637的工作電流在10～12mA，工作電壓為2.7～3.3V，電源電壓為5V，串入200Ω的去耦電阻，降低電源噪聲干擾，同時將5V的電源電壓降低到3V左右的工作電壓。

2.性能測試

對以上電路進(jìn)行測試，測試條件：電源電壓5.0V，增益控制電壓Vg=2.3V，測試信號功率-70dBm，頻率范圍50MHz～1GHz。圖2是該放大電路的增益和噪聲的測試結(jié)果。圖2a顯示了50MHz～1GHz的插入增益 ，可見該電路在50MHz～500MHz擁有較平坦的增益曲線。在頻率低端由于測試功率和頻率已經(jīng)處于網(wǎng)分儀Agilent 8722ES的下限，噪聲干擾對測量有明顯的影響。圖2b為該放大電路的增益和噪聲與控制電壓的關(guān)系，由測試數(shù)據(jù)可知RF2637增益控制電壓在0.5～2.5V的范圍內(nèi)，增益控制范圍為-36～47dB，但由于加入了balun、接頭、線路的插入損耗，電路總噪聲系數(shù)在6dB，不適合單獨(dú)作為接收器前端，還需要在RF2637前增加一級低噪聲放大器，以降低RF2637對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)。

（二）前端LNA設(shè)計(jì)

前級放大器選用英飛凌公司的BFP640，該雙極性晶體管同樣采用了低噪聲鍺硅技術(shù)，具有極低的噪聲系數(shù)和高達(dá)70GHz的特征頻率。在該器件的數(shù)據(jù)表中給出了Spice模型參數(shù)以及封裝模型，可以用該模型數(shù)據(jù)在ADS中建立BFP640的器件Spice模型，進(jìn)行LNA電路的仿真。

首先通過數(shù)據(jù)表中噪聲系數(shù)與工作電流的關(guān)系曲線，確定直流工作點(diǎn)：VCE=3V，IC=3mA 。在ADS中建立電路進(jìn)行直流仿真優(yōu)化，獲得合適的直流偏置電路參數(shù)。然后對電路進(jìn)行S參數(shù)仿真，數(shù)據(jù)顯示放大電路在很大頻率范圍內(nèi)K<1，說明電路是穩(wěn)定的。在特定的源阻抗或負(fù)載阻抗下，電路會產(chǎn)生不穩(wěn)定或者振蕩的現(xiàn)象。對實(shí)際放大電路進(jìn)行測試，出現(xiàn)輸入輸出反射系數(shù)大于1的情況，證實(shí)了電路的不穩(wěn)定。為了保證電路穩(wěn)定，需要采取一些措施，主要的方法有以下五種：

1. 輸入端并上阻性元件，但是會降低電路的NF。

2. 輸出端并上阻性元件，該方法會導(dǎo)致低增益，并降低1dB壓縮點(diǎn)。

3. 接入負(fù)反饋，但降低電路增益，并且有一部分噪聲反饋回輸入端從而降低噪聲系數(shù)。

4. 用濾波電路來做匹配，通常用在輸出部分，來降低特定頻率范圍的增益，通常是出現(xiàn)振蕩的高頻（高于工作頻率）。常用的方法是采用1/4波長線或特定諧振頻率的電容。

5. 射極采用電感，消除高頻增益，獲得高頻端的穩(wěn)定。

這些穩(wěn)定電路的方法可以總結(jié)為：消除放大器不穩(wěn)定頻段的增益來實(shí)現(xiàn)電路的穩(wěn)定，然而本電路的穩(wěn)定系數(shù)在很大的頻段都小于1，因此考慮主要采用第三種方法在電路集電極到基極間加入R-L-C反饋通道，引入一定的負(fù)反饋，以犧牲一部分增益來獲得電路的穩(wěn)定。但是，由于反饋通路會將一部分輸出端的噪聲反饋到輸入端進(jìn)行放大。因此，隨著反饋量的增大，電路的噪聲性能迅速惡化，可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整反饋通路上的電阻和電容電感的值，來改變各頻段的反饋量，使電路的穩(wěn)定系數(shù)K>1，以達(dá)到電路的穩(wěn)定并同時獲得工作頻段具有較低的噪聲系數(shù)。

在窄帶接收機(jī)中，前端電路的匹配網(wǎng)絡(luò)不僅是為了實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配減小功率損耗，利用匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)前端放大器的選擇性來濾除鏡像頻率等干擾信號，可以避免帶外信號影響接收機(jī)。而通常使用的L型匹配網(wǎng)絡(luò)的有載品質(zhì)因數(shù)QL由于受到了輸入輸出阻抗的限制，其帶寬特性無法自由選擇。因此，通常在放大電路匹配網(wǎng)絡(luò)中增加元件，組成 型或T型匹配網(wǎng)絡(luò)，使得電路中增加了節(jié)點(diǎn)，能夠通過適當(dāng)?shù)剡x擇該節(jié)點(diǎn)上的阻抗來控制QL值，獲得所需要的帶通性能。

（三）電路仿真和實(shí)現(xiàn)

為了減少實(shí)際電路匹配的調(diào)整工作，可以在設(shè)計(jì)時利用ADS進(jìn)行電路的仿真和優(yōu)化。首先將RF2637放大電路在網(wǎng)分儀中測得S參數(shù)，并保存為Touchstone格式的S2P文件，導(dǎo)入到ADS的二端口器件。然后建立與BFP640級聯(lián)的放大電路，并進(jìn)行匹配電路的優(yōu)化仿真。優(yōu)化后需要將電容電感換為廠家提供的器件模型，然后進(jìn)一步仿真和調(diào)整，獲得電路如圖3所示：

最后在電路布局中需要注意的是：由于電路中采用的電感為線繞電感，為了防止匹配和阻流的電感器之間產(chǎn)生互耦，對電路性能產(chǎn)生不可預(yù)知的影響，在布局時，應(yīng)該注意盡量使電感互相遠(yuǎn)離，或者采用互成90°的放置方式，降低耦合系數(shù)。另外，去耦電容應(yīng)盡量靠近芯片，以獲得更好的去耦效果，減少干擾。

三、測試結(jié)果

通過對上述放大電路測試，增益和噪聲系數(shù)的測試結(jié)果如圖4所示。為了減少干擾信號對測試結(jié)果的影響，的測試選擇增益控制電壓Vg=1.8V，測試功率P=-70dBm。圖4a顯示了50～500MHz的特性曲線，可以看出放大器增益曲線呈現(xiàn)了帶通的特性。圖4b是放大器的噪聲系數(shù)和增益與增益控制電壓Vg的關(guān)系曲線，Vg電壓在0.5V～2.5V，電路的增益控制范圍為-18～65dB，最高增益時，放大器噪聲系數(shù)NF=1.8dB<2dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

四、結(jié)語

該前端可變增益放大器的最大增益達(dá)到64dB，并且實(shí)現(xiàn)了83dB以上的增益控制范圍，最大增益時噪聲系數(shù)達(dá)到了1.8dB。該電路可以應(yīng)用在跟蹤系統(tǒng)接收的前端，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度接收。但由于測試電路是根據(jù)測試儀器50歐輸入輸出阻抗進(jìn)行計(jì)算的匹配網(wǎng)絡(luò)，在應(yīng)用時還必須根據(jù)實(shí)際天線和后級混頻器的輸入阻抗進(jìn)行匹配電路的相應(yīng)調(diào)整，以獲得更好的匹配。同時，該放大器也能應(yīng)用在其他50～500MHz的無線接收機(jī)的前端。

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