一種射頻寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

王一冰，彭安金

一種射頻寬帶低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

王一冰，彭安金

(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610041)

提出了一種射頻寬帶低噪聲放大器的實(shí)現(xiàn)方式，使用寬帶電流反饋型運(yùn)放和寬帶低噪聲電壓反饋型運(yùn)放完成了0dB～60dB增益連續(xù)可調(diào).由于輸入信號幅度小、帶寬寬，系統(tǒng)通過屏蔽盒進(jìn)行處理提高了自身的穩(wěn)定性和抗干擾能力.輸入電壓最小峰峰值2mV，3dB帶寬達(dá)0.3MHz～150MHz，最大輸出正弦波有效值1.8V，在1MHz～100MHz頻帶內(nèi)增益起伏小于1dB，性能優(yōu)良，可廣泛用于電子對抗、戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)以及無線通信中.

射頻放大器；寬帶；小信號放大；增益可調(diào)

引言

寬帶射頻放大器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)搜索探測、無人機(jī)偵察、衛(wèi)星通信、電子對抗、戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)以及民用無線通信中，其性能好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的水平，因此成為諸多射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.寬帶放大器常用的形式有平衡結(jié)構(gòu)式放大器、負(fù)反饋式放大器、有源匹配電路、電抗網(wǎng)絡(luò)匹配、寬帶電阻匹配、分布式放大器等[1].其中負(fù)反饋式放大器具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn):降低放大器對有源器件性能變化的敏感度；獲得較好的輸入阻抗匹配和較低的噪聲系數(shù)；增加放大器的穩(wěn)定性和線性度等[2].因此，負(fù)反饋技術(shù)被廣泛地運(yùn)用于寬帶放大器的設(shè)計(jì)當(dāng)中.現(xiàn)有的移動(dòng)電視中數(shù)字增益可配置的射頻放大器增益調(diào)節(jié)范圍比較小[3].一種新的方法是采用射頻自動(dòng)增益控制放大器提高動(dòng)態(tài)范圍[4]，當(dāng)射頻輸入受到強(qiáng)干擾時(shí)，自動(dòng)降低增益以免信號鏈路飽和，下變頻后通過中頻濾波器濾除干擾，以達(dá)到抑制干擾的同時(shí)不減少有用信號信噪比的目的.因此寬帶射頻放大器的帶寬、高增益、增益平坦度、動(dòng)態(tài)范圍就成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性指標(biāo).本寬帶射頻放大器要求達(dá)到指標(biāo)如下:

(1)電壓增益≥60dB，輸入電壓有效值≤1 mV.電壓增益在0～60dB范圍內(nèi)可調(diào).

(2)放大器BW-3dB的頻率下限≤0.3MHz，上限≥100MHz，在0.3MHz～80MHz內(nèi)增益起伏≤1dB；在50歐負(fù)載上最大輸出正弦波電壓有效值≥1V.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 增益可調(diào)設(shè)計(jì)

方案一:電阻網(wǎng)絡(luò)衰減.通過前級放大電路進(jìn)行增益放大，后級由電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，實(shí)現(xiàn)0～60dB范圍內(nèi)寬帶增益可調(diào).

方案二:采用壓控放大器.采用壓控放大器(VGA)，其增益可由外部電壓控制，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)增益步進(jìn)可調(diào).

方案三:采用程控衰減器.其衰減倍數(shù)可程控，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的衰減.

方案一采用電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，步進(jìn)大難以做到連續(xù)衰減，而且存在負(fù)載效應(yīng)影響精度.方案二采用VGA實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，但VGA方式帶寬受到限制，難以實(shí)現(xiàn)150MHz.方案三采用程控衰減器.綜合考慮，本次設(shè)計(jì)采用方案三，結(jié)合前級增益變化，后級由數(shù)字步進(jìn)衰減器實(shí)現(xiàn)增益可調(diào).

1.2 放大器的寬帶高增益設(shè)計(jì)

按照指標(biāo)的要求，信號通頻帶0.3～100Mhz最大電壓增益Av≥60dB，增益帶寬積達(dá)到100GHz，單級放大甚至兩級放大都是難以做到的.因此通過將單級增益保持在 20dB以下，采用多級級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)60dB的目標(biāo).本系統(tǒng)中，采用兩級固定增益實(shí)現(xiàn)30dB放大(后級50歐負(fù)載實(shí)得增益)，中間級實(shí)現(xiàn) 0～50dB放大(后級50歐負(fù)載實(shí)得增益)，末級-30dB～-60dB的衰減和0～20dB的增益(后級50歐負(fù)載實(shí)得增益).

1.3 頻帶內(nèi)增益起伏控制

按照指標(biāo)的要求，整個(gè)系統(tǒng)至少要滿足在1～80MHz內(nèi)最大增益波動(dòng)不大于1dB.由于本系統(tǒng)是五級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，且每一級都單獨(dú)工作，而系統(tǒng)總的增益曲線為各模塊的疊加.考慮最極端的情況，即各部分的最大增益波動(dòng)點(diǎn)在同一位置，此時(shí)要保證各級最大增益波動(dòng)小于0.2dB才可滿足指標(biāo)要求.因此，在進(jìn)行單級設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能降低在1～80MHz通帶內(nèi)的波動(dòng)，這就對芯片性能提出了挑戰(zhàn)，必要時(shí)可通過外接LC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一定的增益補(bǔ)償.

1.4 射頻放大器的穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性問題一直是放大器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一.對于寬帶放大器，穩(wěn)定性問題尤為重要，在設(shè)計(jì)初期就要認(rèn)真考慮.造成放大器不穩(wěn)定的因素主要來自內(nèi)部正反饋和外部耦合干擾.對于前者，可能由于布線不合理、放大器反饋設(shè)計(jì)不合理、單級增益過高，各級信號通過公共網(wǎng)絡(luò)(如饋電網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行串?dāng)_等原因造成.因此首先應(yīng)限制單級增益，對于高速電流型運(yùn)放可以參考相應(yīng)器件手冊給出的建議反饋電阻.為了防止因饋電網(wǎng)絡(luò)造成的串?dāng)_，可對每一級網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單獨(dú)供電.在電路實(shí)際制作中，應(yīng)合理布局布線，考慮電磁兼容性并采用各種抗干擾手段.

2 芯片選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對所選芯片有如下要求:

1)低噪聲和低失真

2)-3dB帶寬應(yīng)遠(yuǎn)超300KHz～100MHz范圍

3)在1～80MHz頻帶內(nèi)，增益起伏小于0.2dB

4)后一級驅(qū)動(dòng)電流有效值需大于20mA

考慮到輸入級信噪比要高，選擇電壓反饋型運(yùn)放.寬帶低噪聲單位增益穩(wěn)定的電壓反饋型運(yùn)放OPA847，帶寬為 3.9GHz，增益為 20倍時(shí)帶寬為325MHz，可滿足帶寬要求且增益穩(wěn)定，但是由于OPA847放大大信號時(shí)平坦度下降所以只選作輸入級使用.

中間級必須滿足在1～80MHz頻帶內(nèi)高增益，增益起伏小于1dB.由于電壓反饋型運(yùn)放增益帶寬積一定，帶寬本身會(huì)限制增益的提高，所以選擇電流反饋型運(yùn)放以減小增益的調(diào)節(jié)對帶寬的影響.封裝為SOT -23的低失真運(yùn)放LMH6703，3分貝帶寬為1.2 G，在頻率100M內(nèi)增益平坦，且增益最高可達(dá)10倍，可滿足帶寬、增益要求.

OPA847的增益平坦度如下(圖1選自德州儀器研發(fā)芯片OPA847的數(shù)據(jù)手冊):

圖1 OPA847的幅頻特性曲線Fig.1 Closed-Loop Gain vs Frequency of OPA847

LMH6703的增益平坦度如下(圖2選自德州儀器研發(fā)芯片LMH6703的數(shù)據(jù)手冊):

圖2 LMH6703的幅頻特性曲線Fig.2 Closed-Loop Gain vs Frequency of LMH6703

由圖一、二可知我們選擇OPA847、LMH6703能滿足平坦度要求.

LMH6703其輸出電流可達(dá)90mA，作為輸出級可滿足最后一級驅(qū)動(dòng)電流有效值需大于20mA的要求.

綜合以上，選擇OPA847、LMH6703可滿足設(shè)計(jì)要求.

3 系統(tǒng)框圖及負(fù)反饋放大器的穩(wěn)定措施

通過核心方案論證，本系統(tǒng)由OPA847作為輸入級單級放大20dB，中間級通過電流型運(yùn)放LMH6703實(shí)現(xiàn)10dB～60dB增益控制，再通過衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行-30dB～-60dB衰減，最后接入驅(qū)動(dòng)級形成0dB～20dB的增益.系統(tǒng)框圖如圖3所示.

本系統(tǒng)的放大倍數(shù)大于60dB，當(dāng)電源去耦不好時(shí)各級信號電流在內(nèi)阻上的電壓降將產(chǎn)生互耦作用，而本系統(tǒng)的帶寬很寬，信號很容易通過電源線相互耦合，若耦合信號起振，電路將產(chǎn)生寄生振蕩.所以為了提高射頻放大器的穩(wěn)定性應(yīng)盡量要做好電源去耦，除了在每個(gè)芯片的電源腳接去耦電容，還在電源線中接入了EMI濾波器.同時(shí)電流反饋型運(yùn)放構(gòu)建的放大器也容易因反饋?zhàn)杩怪档淖兓斐勺约ふ袷?，因此每個(gè)運(yùn)放的反饋電阻盡量靠近運(yùn)放輸入引腳，以免反饋回路中的分布電容引入新極點(diǎn)，必要時(shí)還進(jìn)行了滯后相位補(bǔ)償.

圖3 系統(tǒng)框圖Fig.3 System Block

4 電路設(shè)計(jì)

4.1 前置放大器設(shè)計(jì)

OPA847是電壓反饋型運(yùn)放，它組建的反相放大器抑制噪聲能力強(qiáng)，且容易實(shí)現(xiàn)特征阻抗匹配，所以第一級由OPA847構(gòu)成反相放大器以提高信噪比.

通過方案論證和理論分析，系統(tǒng)前級電路采用寬帶放大器OPA847實(shí)現(xiàn)20dB增益放大.OPA847為寬帶放大器，帶寬為3.9GHz，壓擺率為950V/μs，完全達(dá)到指標(biāo)要求.具體電路如圖4所示.

圖4 前置放大器Fig.4 Preamplifier Circuit

4.2 中間級放大電路

中間級選用電流反饋型運(yùn)放LMH6703構(gòu)成同相交流放大器以實(shí)現(xiàn)源阻抗匹配.

電流反饋型運(yùn)放LMH6703的閉環(huán)增益和頻率響應(yīng)主要取決于反饋電阻的值.反饋電阻的取值決定著電流反饋型運(yùn)放的工作穩(wěn)定性.最佳值既可以保證最大帶寬，也可以保證穩(wěn)定地放大而不振蕩，對于封裝為SOT-23-6的LMH6703最佳的反饋電阻值為560Ω，封裝為SOIC則最佳反饋電阻值為390Ω.同時(shí)，電流反饋型運(yùn)放的反饋環(huán)路中不允許有電容，因?yàn)殡娙輹?huì)降低反饋?zhàn)杩箤?dǎo)致振蕩.出于同樣的原因，雜散電容也必須控制在運(yùn)放的反相輸入端周圍.

電流反饋型運(yùn)放LMH6703的仿真測試圖如下:

圖5 LMH6703的仿真測試圖Fig.5 The simulation test Circuit of LMH6703

輸入10mV時(shí)LMH6703的輸出波形如圖6:

圖6 輸入10mV時(shí)的響應(yīng)Fig.6 Response of 10mV input

電流反饋型運(yùn)放LMH6703的3分貝帶寬為1.2 G，在頻率100M內(nèi)增益平坦，可構(gòu)成2級寬帶放大器，完整電路圖如圖7所示.

由電流反饋型運(yùn)放LMH6703構(gòu)成交流同相放大器，電流反饋型運(yùn)放改變增益對帶寬影響較小，所以在高增益的同時(shí)能滿足帶寬要求.且交流同相放大器輸入阻抗高，有利于源阻抗匹配.根據(jù)每級的增益確定其反饋電阻和增益電阻，調(diào)節(jié)阻值由圖8所示.

4.3 衰減電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是增益從0dB到60dB可調(diào)，但因放大器的增益調(diào)到最佳可提高信噪比，為實(shí)現(xiàn)增益0dB在系統(tǒng)最后級設(shè)計(jì)-30dB到-60dB的衰減網(wǎng)絡(luò)以抵消前級的增益.系統(tǒng)不同模塊由同軸電纜傳輸，同軸電纜的阻抗為50Ω，因此Z0＝50Ω.由于T型電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值較難買到，所以選擇π型衰減網(wǎng)絡(luò)，其衰減結(jié)構(gòu)對應(yīng)圖9所示.

圖7 中間級放大電路Fig.7 intermediate stage Amplifier Circuit

圖8 LMH6703反饋電阻的增益特性曲線Fig.8 RF vs Gain of LMH6703

圖9 π型衰減網(wǎng)絡(luò)Fig.9 PI type attenuator

當(dāng)衰減30dB時(shí)R2基本保持在50Ω附近，所以采用定值電阻1K和5K的滑動(dòng)變阻器串聯(lián)組成R1完成30dB衰減.為避免π型無源衰減器的負(fù)載效應(yīng)，后面接一級緩沖放大器.原理圖如圖10所示.

再接入數(shù)字步進(jìn)衰減器(步進(jìn)值0.5 dB)新增0～-30dB衰減，即可得到-30 dB～-60 dB的總衰減.最后接入驅(qū)動(dòng)級形成0dB～20dB的增益以驅(qū)動(dòng)50歐負(fù)載，LMH6703輸出電流可達(dá)90mA，作為輸出級可滿足最后一級驅(qū)動(dòng)電流有效值需大于20mA的要求，電路圖與中間級放大器相同.

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量與分析

5.1 測試儀器

① RIGOL DG4072 100MHz信號源

② 泰克TDS2022C 500MHz示波器

③ APS3003S-3D高精度線性直流穩(wěn)壓源

5.2 測試方案與記錄

選取頻率20MHz，輸入電壓固定為2.7mVpp，調(diào)整電路的增益，測試是否增益在0～62dB內(nèi)可調(diào).

圖10 -30dB衰減器Fig.10 -30dB attenuator

表1 動(dòng)態(tài)范圍與增益可調(diào)性測試Table1 Dynamic range and gain adjustability test

輸入電壓固定為2.7mVpp，增益選取最大增益62dB以在最壞情況進(jìn)行測試，改變信號頻率，測試-3dB帶寬和帶內(nèi)增益平坦度如下.

據(jù)測試記錄可知，輸入電壓有效值小于等于1mV的時(shí)候，增益0～62dB可調(diào)，滿足指標(biāo)要求.

表2 帶寬與通帶增益平坦度測試Table2 Bandwidth and gain Flatness In Band test

據(jù)測試記錄可知，電壓增益為62dB的時(shí)候，-3dB帶寬達(dá)到150MHz，在0.3MHz～90MHz頻帶內(nèi)增益起伏小于0.8dB，完全滿足指標(biāo)要求.

6 結(jié)論

本文首先設(shè)計(jì)并分析了射頻寬帶放大器的總體方案，然后將指標(biāo)分配給前級、中間級與末級，據(jù)此選擇有源器件，采用多級放大與負(fù)反饋技術(shù)設(shè)計(jì)了射頻寬帶放大器，獲得了良好的效果，本射頻寬帶放大器可廣泛用于電子對抗、戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)以及民用無線通信中.

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(責(zé)任編輯:張陽，付強(qiáng)，李建忠，羅敏；英文編輯:周序林)

Design of low-noise radio frequency wideband amp lifier

WANG Yi-bing，PENG An-jin

(Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

A method of implementing low-noise RFwideband amplifier is proposed in this paper，whose gain can be turned from 0dB to 60dB continuously by usingwideband current feedback op amp and broadband low-noise voltage-feedback op amp.Since the input signal is small and of wideband，the system stability and anti-jamming capability are improved by using shielding box. The inputminimum peak-to-peak voltage is 2mV，the 3dB bandwidth is 0.3MHz～150MHz，maximum RMS output of sine wave is1.8V，and the gain variation is less than 1dB in frequency band from 1MHz to 100MHz，so the performance is excellent. It can be used in electromagnetic countermeasure，weapon guidance and radio communication.

RF amplifier；wideband；small signal；gain

TN722

A

2095-4271(2015)03-0383-08

10.11920/xnmdzk.2015.03.023

2014-11-12

王一冰(1969-)，男，漢族，四川瀘州人，講師，研究方向:電路與系統(tǒng)等.E-mail:zgwybing＠163.com.