通用超低噪聲射頻電路線性電源設(shè)計

李維亮

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

近年來隨著射頻信號裝置在個人通信、無線通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對射頻信號裝置的性能指標(biāo)要求越來越高，而電源設(shè)計對裝置的性能指標(biāo)影響至關(guān)重要。射頻電路電源需要具有輸出穩(wěn)定、噪聲低、適用性強(qiáng)等特點，這樣才能有效保證射頻信號裝置輸出信號頻譜純度和相位噪聲等關(guān)鍵指標(biāo)，為射頻信號裝置的穩(wěn)定運行提供保障。

在現(xiàn)有的電源穩(wěn)壓電路設(shè)計中，大多數(shù)采用集成電路形式，針對正電穩(wěn)壓或者負(fù)電穩(wěn)壓都需要不同的穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)，并且穩(wěn)壓電路設(shè)計中大多用于集總參數(shù)電路供電對射頻電路的低噪聲供電電源的設(shè)計考慮不全面。

本文所提出的通用超低噪聲射頻電路線性電源設(shè)計方法，通用性強(qiáng)，用相同的電路器件既可以組建正電穩(wěn)壓電路又可以組建負(fù)電穩(wěn)壓電路，減小器件種類和元器件成本；在電路設(shè)計中引入降低噪聲的設(shè)計電路，降低穩(wěn)壓電路輸出噪聲；穩(wěn)壓壓差小，輸入電壓和輸出電壓壓差滿足PN結(jié)導(dǎo)通電壓（最小0.2V）即可正常工作并且工作效率高。

1 線性穩(wěn)壓電路原理

現(xiàn)有的線性電源穩(wěn)壓電路設(shè)計主要由基準(zhǔn)電壓電路、誤差放大器、調(diào)整管和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。

其中基準(zhǔn)電壓電路可以提供一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。常用的電壓基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)是齊納二極管或者帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生的精密參考電壓源。調(diào)整管又被稱為功率管，主要作用是作為輸入到輸出的大電流通道，并且具有一定的輸入輸出電壓差和輸出電流調(diào)節(jié)能力。反饋網(wǎng)絡(luò)一般由電阻網(wǎng)絡(luò)和補償電容組成，主要作用是將輸出電壓變化反饋至誤差放大器輸入端，即作為反饋電壓。誤差放大器、調(diào)整管和反饋網(wǎng)絡(luò)組成了一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。下文將分別介紹射頻電路中使用的正電穩(wěn)壓電路和負(fù)電穩(wěn)壓電路。

圖1 線性穩(wěn)壓電路原理圖

2 正電穩(wěn)壓電路設(shè)計

正電穩(wěn)壓電路的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，該電路主要由參考電壓源Vc1，供電電壓源Vc2、供電電壓源Vc3、磁珠Y1、磁珠Y2、磁珠Y3、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2、電容C3和三極管V1組成。

參考電壓源Vc1提供高精度的參考電壓值；磁珠Y1可以用來作為電源濾波器，降低參考電源的噪聲對輸出電壓的影響；電阻R1的值等于電阻R2與電阻R3的并聯(lián)值，用于減小運算放大器輸入偏置電流對輸出的影響；電容C1為積分電容，該電容一方面可以調(diào)節(jié)三極管的導(dǎo)通上升時間，另一方面可調(diào)整整個電路的相位裕度以保證電路的穩(wěn)定性；電阻R4用于調(diào)整三極管基極的電壓值；運算放大器N1為低噪聲運算放大器，可以降低輸出電壓的噪聲電平，通過同相和反相的虛短虛斷保證電路的正常工作；供電電源Vc2為正壓電源，供電電源Vc3為負(fù)壓電源，這兩種電源為運算放大器N1供電，通過利用雙電源供電也使得該電路通過調(diào)整之后可以提供負(fù)電穩(wěn)壓電路；電阻R2和電阻R3為比例電阻，通過該電阻可以調(diào)整輸出電壓的設(shè)定值；電容C3為濾波電容可以削弱電路中高頻成分對輸出電路的影響并調(diào)節(jié)整個射頻供電電路的頻響特性；三極管V1提供輸入輸出電流通路，并提高輸出電壓與輸入電壓的噪聲抑制比，降低輸出電壓噪聲；磁珠Y2對輸入電壓進(jìn)行噪聲抑制，磁珠Y3對輸出電壓進(jìn)行噪聲抑制，最終保證輸出低噪聲穩(wěn)壓電源。

圖2 正電穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖

正電穩(wěn)壓電路的工作原理如下：

輸出負(fù)載穩(wěn)定時：參考電壓Vc1產(chǎn)生的精準(zhǔn)參考電壓輸入到運算放大器N1的反相端口，根據(jù)虛短可以算得輸出電壓Vout=Vc1/R2*(R2+R3)，根據(jù)積分電路設(shè)計產(chǎn)生三極管V1的基極B端的電壓值從而使三極管V1工作在放大區(qū)，電路正常工作。

輸出負(fù)載變化時：當(dāng)Vout的輸出電流減小即Vout增大，則器件N1正相端口的反饋電壓為R2*Vout/（R2+R3）也隨之增加，該正相端口電壓與參考電壓Vc1進(jìn)行比較，其差值電壓經(jīng)過積分與比較放大之后使三極管V1的基極B端電壓減小，從而減小輸出端電流并增大三極管V1的發(fā)射極E與集電極C之間的電壓，最終使得Vout下降進(jìn)而維持Vout的穩(wěn)定狀態(tài)。同理，當(dāng)Vout輸出電流增大時，也將使得輸出電壓保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

3 負(fù)電穩(wěn)壓電路設(shè)計

負(fù)電穩(wěn)壓電路的電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，該電路主要由參考電壓源Vc1，供電電壓源Vc2、供電電壓源Vc3、磁珠Y1、磁珠Y2、磁珠Y3、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2、電容C3和三極管V1組成，所采用元器件種類與正電穩(wěn)壓電路完全一樣。

圖3 負(fù)電穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)圖

參考電壓源Vc1提供高精度的參考電壓值；磁珠Y1可以用來作為電源濾波器，降低參考電源的噪聲對輸出電壓的影響；電阻R1、電阻R2與電阻R3通過運算放大器進(jìn)行分壓產(chǎn)生負(fù)電輸出電壓值；電容C1為積分電容，該電容一方面可以調(diào)節(jié)三極管的導(dǎo)通上升時間，另一方面可調(diào)整整個電路的相位裕度以保證電路的穩(wěn)定性；電阻R4用于調(diào)整三極管基極的電壓值；運算放大器N1為低噪聲運算放大器，可以降低輸出電壓的噪聲電平，通過同相和反相的虛短虛斷保證電路的正常工作；供電電源Vc2為正壓電源，供電電源Vc3為負(fù)壓電源，這兩種電源為運算放大器N1供電，利用負(fù)電供電特性可以使得積分后在三極管基極產(chǎn)生負(fù)電電壓進(jìn)而保證整個電路的正常工作；電容C3為濾波電容可以削弱電路中高頻成分對輸出電路的影響并調(diào)節(jié)整個射頻供電電路的頻響特性；三極管V1提供輸入輸出電流通路，并提高輸出電壓與輸入電壓的噪聲抑制比，降低輸出電壓噪聲；磁珠Y2對輸入電壓進(jìn)行噪聲抑制，磁珠Y3對輸出電壓進(jìn)行噪聲抑制，最終保證輸出低噪聲穩(wěn)壓電源。

負(fù)電穩(wěn)壓電路的工作原理如下：

輸出負(fù)載穩(wěn)定時：參考電壓Vc1產(chǎn)生的精準(zhǔn)參考電壓輸入到運算放大器N1的反相端口，根據(jù)虛短可以算得輸出電壓Vout=-Vc1/R2*(R2+R3)，根據(jù)積分電路設(shè)計產(chǎn)生三極管V1的基極B端的電壓值從而使三極管V1工作在放大區(qū)，電路正常工作。

輸出負(fù)載變化時：當(dāng)Vout的輸出電流減小即Vout增大，則器件N1負(fù)相端口的反饋電流為Vout/（R2+R3）也隨之增加，該負(fù)相端口電流的變化差值經(jīng)過積分與比較放大之后使三極管V1的基極B端電壓減小，從而減小輸出端電流并增大三極管V1的發(fā)射極E與集電極C之間的電壓，最終使得Vout下降進(jìn)而維持Vout的穩(wěn)定狀態(tài)。同理，當(dāng)Vout輸出電流增大時，也將使得輸出電壓保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

4 試驗結(jié)果

本文所提出的電源設(shè)計方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于PXIe小型化高純本振信號產(chǎn)生電路中，通過將PXIe機(jī)箱的+3.3V和+12V電壓開關(guān)電源轉(zhuǎn)換之后，再利用本文的線性電源設(shè)計方案，轉(zhuǎn)換成+5V、+3.3V、+1.8V、-5V、-12V等射頻電路常用供電電源，最終輸出的射頻信號相位噪聲能夠達(dá)到-117dBc/Hz@10kHz（10GHz載波），如圖4所示，并且信號中沒有明顯的電源雜散信號。

圖4

5 結(jié)語

本文通過分立元器件所設(shè)計的通用超低噪聲射頻電路的線性電源，具有以下三個優(yōu)點：

（1）通用性強(qiáng)，設(shè)計中采用完全相同的器件通過簡單更改電路連接方式既可以實現(xiàn)正電穩(wěn)壓電路也可以實現(xiàn)負(fù)電穩(wěn)壓電路，減小射頻電源電路的元器件種類，降低電路設(shè)計管理成本。

（2）整個射頻電源電路的輸出噪聲低，通過采用低噪聲運算放大器以及在參考電壓源、電壓輸入和電源輸出端增加濾波元器件的設(shè)計方案，能夠有效抑制低頻電源噪聲，降低輸出端的電源噪聲。

（3）輸入電壓和輸出電壓的壓差低，在最小0.2V的壓差情況下就能保證整個電路的正常工作并且具有較大的電流輸出能力，降低功耗提高電源工作效率。

該電路所具有的優(yōu)點使其更適合于超低噪聲射頻電路的電源供電設(shè)計中。