一種低噪聲放大器模塊的設(shè)計(jì)*

顏克文　俞森吉　劉　亮

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司　廣州　510663)

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一種低噪聲放大器模塊的設(shè)計(jì)*

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(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司廣州510663)

低噪聲放大器是接收機(jī)系統(tǒng)中極其重要的一部分，論文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器模塊采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的甲類(lèi)放大器形式，輸入和輸出端采用傳輸線(xiàn)變壓器進(jìn)行阻抗匹配，設(shè)計(jì)的放大器模塊具有低噪聲系數(shù)的同時(shí)也具有良好的反射系數(shù)和互調(diào)，具有重要的參考意義。

低噪聲;放大器模塊;噪聲系數(shù);互調(diào)

Class NumberTN72

1　引言

低噪聲放大器的主要作用是把從天線(xiàn)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，盡可能地減少系統(tǒng)噪聲，使系統(tǒng)能解調(diào)出所需要的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的接收靈敏度對(duì)于通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的指標(biāo)[1～2]，其計(jì)算公式表示為：

Smin=-114(dBm/Hz)+NF+10LogBW(MHz)+S/N(dB)

從上式可以看出，當(dāng)系統(tǒng)帶寬BW和信噪比S/N確定之后，噪聲系數(shù)NF對(duì)系統(tǒng)的靈敏度起決定性作用，參考多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)公式：

NF=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+……

從上面噪聲系數(shù)的級(jí)聯(lián)公式可以看出，對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)影響最大的是第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，后面的放大器對(duì)系統(tǒng)的靈敏度相對(duì)不敏感。因此如何降低前級(jí)的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)是提高接收靈敏度的主要目標(biāo)，低噪聲放大器電路的技術(shù)指標(biāo)包括：頻率范圍、增益、噪聲系數(shù)、端口反射系數(shù)、三階互調(diào)[3～4]等。

2　低噪聲放大器模塊設(shè)計(jì)

低噪聲放大模塊電路由輸入變壓器、輸出變壓器及兩部分相同的晶體管電路組成，電路簡(jiǎn)單，線(xiàn)性度高，可通過(guò)調(diào)整輸入輸出變壓器匝數(shù)比來(lái)改變正向功率增益[5～7]，因此整機(jī)中要求不同增益的放大器可以采用相同的電路結(jié)構(gòu)，其原理框圖如圖1所示。

圖1　低噪聲放大模塊電路原理框圖

輸入變壓器Tin由漆包線(xiàn)與雙孔磁環(huán)構(gòu)成，它將輸入的非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路平衡信號(hào)分別送到輸出變壓器Tout的兩個(gè)輸入繞組，信號(hào)隨后被送到兩部分相同的晶體管電路。兩部分相同的晶體管電路均由數(shù)個(gè)相同的單元電路并行連接而成。單元電路由一個(gè)NPN晶體三極管(如圖中的Q1：BFP196W)及外圍器件(電阻、電容)組成，晶體三極管Q1按照共基極的基本組態(tài)連接電路，+1.9V的直流電壓通過(guò)電阻Rb1、Re1為其基射極提供直流偏置，信號(hào)由晶體三極管的發(fā)射極輸入，由集電極輸出，基極與發(fā)射極之間的晶體二極管V1起保護(hù)作用，避免晶體三極管在大信號(hào)輸入時(shí)基射極被反向擊穿。該單元電路的輸出信號(hào)與其它單元電路(如晶體三極管Q3組成的單元電路)的輸出信號(hào)合并輸出至變壓器Tout的輸出繞組。+12V的直流電壓通過(guò)輸出變壓器Tout為晶體三極管的集電極提供直流偏置。電路的信號(hào)輸出端口Pout是輸出變壓器Tout的一個(gè)抽頭，它與Tout的其它兩個(gè)輸出繞組構(gòu)成自耦線(xiàn)圈。本放大電路采用變壓器耦合共基A類(lèi)放大結(jié)構(gòu)，其增益主要由變壓器變比決定，且與輸入/輸出阻抗關(guān)聯(lián)度較低，易于調(diào)整[8～10]。

3　低噪聲放大器模塊的仿真和測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，通過(guò)仿真軟件對(duì)該電路的性能進(jìn)行了仿真，與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比較，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想的可行性。每一部分晶體管電路由8個(gè)單元電路組成，單元電路中，Rb1=3.9 Ohm,Re1=51 Ohm,Cb1=Ce1=1.0 uF，輸入/輸出變壓器的配置與增益要求有關(guān)。該模塊工作電壓12V，設(shè)置工作電流為350mA。

圖2　S參數(shù)仿真結(jié)果

在增益要求為3.6dB的低噪聲放大電路中，Tin的匝數(shù)比為4∶1∶1，Tout的匝數(shù)比為2∶2∶3∶3∶5，采用自耦形式，圖2、圖3是其散射參數(shù)(S參數(shù))仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果。在頻率10MHz處，仿真所得的數(shù)據(jù)為：增益S21=3.88dB，輸入反射系數(shù)S11=-41.54dB，輸出反射系數(shù)S22=-33.6dB，反向隔離度S12=-4.02dB；實(shí)測(cè)所得的數(shù)據(jù)為：增益S21=3.63dB，輸入反射系數(shù)S11=-32.47dB，輸出反射系數(shù)S22=-27.45dB，反向隔離度S12=-4.29dB。對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，二者基本一致。

電路互調(diào)分量的仿真結(jié)果如圖4所示。輸入的基波分別為F1=7.0MHz，F(xiàn)2=11.9MHz，功率為10dBm，由圖中輸出端口的頻譜圖可知，基波分量的輸出為13.88dBm，三階互調(diào)分量與基波輸出的差值為100.8dB，三階互調(diào)截點(diǎn)輸出功率為13.88dBm+100.8/2dB=64.28dBm。表1是對(duì)低噪聲放大模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，輸入信號(hào)功率9dBm，輸出信號(hào)功率12.8dBm，由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，OIP3指標(biāo)與仿真基本相同。在電路調(diào)試中，若輸入輸出使用傳輸線(xiàn)變壓器或輸入隔離變壓器，則在低頻段(5MHz以下)，OIP3指標(biāo)偏低，在高頻段(5MHz以上)，OIP3指標(biāo)接近仿真值，試驗(yàn)證明，此現(xiàn)象與變壓器所使用的磁芯材料有關(guān)；若采用自耦式變壓器，可以改善低頻段的OIP3指標(biāo)，如表1中數(shù)據(jù)所示。

圖3　S參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖4　互調(diào)分量仿真結(jié)果

基波RF1頻率/MHz基波RF2頻率/MHz互調(diào)/dBOIP3/dBm33.99459.8711.991.158.351221.99258.81629.99258.8

低噪聲是本模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)，噪聲系數(shù)與輸入阻抗關(guān)系較大，但設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧穩(wěn)定性、輸入輸出駐波、大信號(hào)阻塞等指標(biāo)，與偏置電流也有關(guān)系，一般來(lái)講電流越大，則互調(diào)指標(biāo)越好，但噪聲系數(shù)會(huì)越差。

用Agilent公司N8973A噪聲分析儀對(duì)本電路進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖5所示，可以看出在10MHz處，NF=1.267dB，在高端30MHz處稍差，NF=1.449dB。

圖5　噪聲系數(shù)NF實(shí)測(cè)結(jié)果

4　結(jié)語(yǔ)

本人闡述了低噪聲放大器在接收機(jī)系統(tǒng)中的重要性，介紹了低噪聲放大器電路的主要技術(shù)指標(biāo)，并設(shè)計(jì)一款低噪聲放大器模塊，低噪聲放大器模塊在2MHz～30MHz的頻率范圍內(nèi)，增益大于3.5dB，并且可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，端口反射系數(shù)小于-20dB，噪聲系數(shù)小于1.5dB，三階互調(diào)大于90dB，設(shè)計(jì)思想具有重要指導(dǎo)和參考意義。

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Design of A Low Noise Amplifier Module

YAN KewenYU SenjiLIU Liang

(Guangzhou Haige Communications Industry Group Co.,Ltd,Guangzhou510663)

Low noise amplifier is an extremely important part of the receiver system,multiple cascaded amplifier form is put to use in this paper,input and output carries out impedance matching by using transmission line transformer,the designed amplifier module has low noise coefficient and also has excellent reflection coefficient and intermodulation,this paper has the important

ignificance.

low noise,amplifier module,noise figure,intermodulation

2016年3月8日,

2016年4月29日

顏克文,男,碩士研究生,工程師,研究方向：射頻通信電路設(shè)計(jì)。俞森吉,男,碩士研究生,工程師,研究方向：射頻通信電路設(shè)計(jì)。劉亮,男,碩士研究生,工程師,研究方向：數(shù)字硬件設(shè)計(jì)。

TN72DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.036