甚低频低噪声放大器噪声系数测量*

陈传克 蒋宇中 张曙霞

(1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)(2.92038部队 青岛 266000)



甚低频低噪声放大器噪声系数测量*

陈传克1,2蒋宇中1张曙霞1

(1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)(2.92038部队 青岛 266000)

使用晶体管多管组合构成甚低频低噪声放大器可以获得较低的噪声系数,在深水无线电接收中有重要应用。这种放大器噪声电压约为3nv/sqrt(Hz),其指标已经远小于常用的频谱分析仪灵敏度指标,难以实现直接测量。正是由于其特殊性,甚低频低噪声放大器噪声系数的测量方案必须重新设计。论文详细讨论了影响低噪声放大器噪声系数测量的各种因素,包括阻抗匹配、射频信号发生器的背景干扰等因素,提出了完整的测量方案及实施步骤。

噪声系数; 阻抗匹配; 甚低频; 谐波干扰

Class Number TN919.6

1 引言

噪声系数是衡量甚低频低噪声放大器的重要指标,它反映了放大器内部噪声对信噪比恶化的程度[1,5,9]。如何精确测量放大器的噪声系数是检测低噪声放大器性能的重要内容。目前噪声系数的主要测量方法是正弦波信号源法、宽带噪声发生器法和Y系数法[1]。其基本原理都是在两种输入功率的条件下,测量被测件输出功率,利用两个输出功率计算得到噪声系数。其特点是所需要的设备比较少,操作简单,所以在实际的工程和研究中被广泛采用。本文通过电路实测的方式比较各种噪声系数测量方法的优劣,并针对测量中出现的多种问题改进测试方法,在测试设备有限的条件下提出了一种合适的测量方法,提高了测量精度。

2 基本测量原理

2.1 噪声系数测量条件

IEEE的噪声系数定义:当输入噪声功率为290K温度下的负载所产生的最大功率情况下,输入信噪比和输出信噪比的比值。由此可以推出低噪声放大器噪声系数测量的条件:测量时放大器工作温度应为290K(17℃),输入端负载产生最大功率[2～3]。欲使输入端负载产生最大功率,必须满足

(1)

其中Rs为输入负载阻抗,Rin为放大器输入阻抗。

在一定工作频率范围内,输入负载的热噪声可认为是白噪声,其功率谱密度为S(f)=4kTRs(V2/Hz)[1,5]。若放大器输入阻抗中电抗部分很小,近似为纯阻性,则该电阻产生的最大输入功率为

(2)

由上式可知,输入负载产生的最大功率仅与负载的温度T及带宽B有关,与阻值Rs无关。当B=1Hz,T=To=290K时,此时Ni=kToB=-174(dBm/Hz)。

2.2 直接测量法原理

在测量中采取直接测量法,具体原因分析详见第3节。根据噪声系数的定义,噪声因数NF为

NF(dB) =(Pi-Ni)-(P0-N0)

=No(dBm/Hz)+174(dBm/Hz)-G

(3)

其中G为放大器的增益,N0为放大器输出噪声功率。

增益G可以通过信号源和频谱仪进行测量,直接法简化测试框图如图1所示。

图1 简化测量原理框图

3 噪声系数测量影响因素

3.1 阻抗匹配

在电子设备互连中,前级的输出阻抗和后级的输入阻抗通常是不一致的,存在功率传输效率的问题,即阻抗匹配问题[4]。在噪声系数测量中主要存在两种阻抗匹配问题,分别是噪声源与放大器输入阻抗的匹配问题和末级放大器输出阻抗与仪器设备的阻抗匹配问题。

3.1.1 噪声源输入阻抗匹配

由第2节对噪声系数测量条件的分析可知,噪声系数的测量必须满足噪声源阻抗与放大器的输入阻抗共轭匹配,如此放大器输入端才能得到最大的输入功率。若传感器的阻抗为50Ω,而放大器的输入阻抗为1kΩ,则实际传输到放大器的功率与阻抗匹配时功率相比,损耗了约7.5dB,此时噪声系数的测量将与实际测量结果相差很大,而变得毫无意义。所以噪声系数的测量必须考虑输入端阻抗匹配的问题,在测量之前必须首先测定放大器的输入阻抗。

放大器输入阻抗的简单测量方法是在信号源和放大器之间接入电位器,在电位器阻值为零时测定放大器输出电压,然后调整电位器使其输出电压降低到原来的一半,此时电位器的阻值就是放大器的输入阻抗[6]。

3.1.2 输出阻抗匹配

放大器的输出阻抗在设计时已经确定,通常与测试仪器的阻抗50Ω是不一致的,所以为测准放大器的增益,输出阻抗匹配是非常必要的[7]。放大器输出可以等效为信号源和内阻的形式,其等效电路见图2所示。当放大器输出阻抗与测试仪器的阻抗相差不大时,此时测试仪器上测得放大器输出功率为最大功率,然而放大器输出阻抗很大时,此时测试仪器上测得的放大器输出功率相对较小,造成测量很大的误差。所以终端的阻抗匹配至关重要。

图2 放大器输出源等效电路

3.2 射频信号发生器的背景干扰

目前比较常用的噪声系数测量方法主要有直接测试法、Y因子法、宽带噪声源法、两倍功率法[1]。Y因子法是实际工程和研究中最常用的噪声系数测量方法,各种噪声系数分析仪也都普遍使用Y因子法进行噪声系数测量[8]。然而对于甚低频低噪声放大器噪声系数测量,Y因子法、宽带噪声源法和两倍功率法都不适用。因为测量是在噪声输出水平很低的情况下进行的,这就对噪声发生器的噪声纯度提出了很高的要求,而在低频段要产生性能很好的噪声源非常困难,比较常用的噪声系数分析仪Agilent NFA系列高性能噪声系数分析仪、国产41所AV3984微波噪声系数分析仪和R&S NC346系列噪声源的适用频率范围在10MHz以上,所以不适用于甚低频低噪声放大器噪声系数的测量。

以射频信号发生器的谐波干扰为例,在高频端是可以忽略,但是在低频段电磁波的谐波干扰难以忽略,对测量结果发生显著的影响。图4为在测试设备仅地相连时,频谱仪上测得的放大器输出功率。测试仪器是Agilent N9310A射频信号发生器、待测放大器、R&S ESPI3频谱仪。由图3可见,在放大器的工作频率30kHz附近,带宽为500Hz的范围内,出现了多个尖峰,部分尖峰的参数见表1所示。以上分析说明Agilent N9310A射频信号发生器在测量频段内有低电平谐波干扰泄露,不适合做放大器本底噪声测量。

图3 Agilent N9310A射频信号发生器噪声干扰

序号频率(kHz)输出功率(dBm)130．033-73230．116-76．1329．916-81．06

4 测量方案

由第3节的分析可知,Y因子法、宽带噪声源法和两倍功率法对噪声源的纯度要求很高,这在甚低频段很难做到,而直接测量法的优点是测量放大器的内部噪声时,只需将与放大器输入阻抗共轭匹配的电阻作为输入噪声源,在甚低频频段内频谱比较纯净,能够屏蔽噪声发生器对放大器内部噪声的贡献,因此可以尽可能避免外部干扰对放大器噪声系数测量的影响。因为输入的噪声功率非常低,在匹配时约为-174dBm/Hz,而测量使用的R&S ESPI3频谱仪的测试底限为-135dBm/Hz,要求放大器要提供足够的增益,故在放大器之后加入一级可变增益放大器也是有此考虑。

综上所述,就现有条件下,直接测量法是比较适合用来测量甚低频低噪声放大器噪声系数的可靠方法。故我们测量中使用了此方法,测量的可信度较高。

为了直观地测试甚低频低噪声放大器的噪声性能,我们引入了比较法,设计一路参考支路,并通过调整可变增益放大器,使两支路的增益近似相等,如此我们可以方便地通过频谱分析仪的输出噪声功率定性比较两者噪声性能的好坏。参考支路的前置放大器由ANALOG DEVICES公司的超低噪声集成运放AD797及其外围电路构成。具体测试方案如图4所示。

由于输入阻抗的测量比较简单,在此不再过多赘述。经测定参考前置放大器输入阻抗近似为160Ω,待测放大器的输入阻抗近似为50Ω,电抗部分很小,故忽略不计。为实现输出阻抗匹配,在可变增益放大器与频谱仪之间加入一级射级跟随器,屏蔽输出阻抗的影响[10]。

图4 甚低频低噪声放大器直接法测试方案

下面使用直接测量法测量放大器的噪声系数。测试频率:10kHz、15kHz、20kHz、25kHz、30kHz,测试带宽为100Hz,待测放大器输入阻抗约为50Ω,集成运放输入阻抗约为160Ω。

测试步骤如下:

1) 将开关打到A、C,测得参考前置放大器支路输出功率P1;

2) 将开关打到A、D,调整待测放大器支路可变增益放大器使频谱分析仪输出功率P2接近P1;

3) 将开关打到B、C,在输入端联接160Ω金属膜电阻充当噪声源,测量参考前置放大器支路输出噪声功率N1,测量结果见图4;

4) 将开关打到B、D,在输入端联接50Ω金属膜电阻充当噪声源,测量待测放大器支路输出噪声功率N2,测量结果见图5;

5) 利用式(3)计算噪声系数NF。30kHz频率测试结果见表2所示。

图5 放大器输出噪声功率对比

表2 频率30kHz噪声系数测量结果

由表2测试结果可知,由晶体管多管组合构成的甚低频低噪声放大器的噪声系数与集成运放构成的放大器相比大约有2.8dB左右的改进。由于甚低频通信主要用于全球范围内的远程保障通信,其接收机距离发信台很远或处于深水位置,信号非常微弱,这种2.8dB的改进非常可观。另外,这一结果也表明使用晶体管构成的低噪声放大器更适合作为甚低频接收机的前置放大使用。

5 结语

噪声系数是衡量甚低频低噪声放大器内部噪声的重要指标。在甚低频段难以获得纯度很高的噪声源,采用经典方法(如Y因子法、宽带噪声源法和两倍功率法)测量噪声系数难以实现。

本文通过噪声系数定义推导找到了可行的测量方法—直接测量法。该方法将具有恒定功率谱密度的金属膜电阻作为输入噪声源,获得了纯度很高噪声源,排除了噪声发生器对测量造成的干扰误差。另外,本文还分析了影响噪声系数测量精度的多种因素,并在此基础上引入比较法,提出了甚低频低噪声放大器的噪声系数测量的详细测量方案和步骤,在多个频点上获得了真实的测量结果。同时,测量结果也证明了晶体管多管组合构成的放大器噪声性能优于集成运放,更适合作为甚低频接收机前置放大器。

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Measurement of Noise Figure for a VLF LNA

CHEN Chuanke1,2JIANG Yuzhong1ZHANG Shuxia1

(1. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)(2. No. 92038 Troops of PLA, Qingdao 266000)

A VLF low-noise amplifier in a multi combination way can achieve lower noise figure. It has great significance for deep water radio receiver. This kind of amplifier’s noise voltage is about 3nv/sqrt(Hz), can’t be measured directly due to the value is far less than the commonly used spectrum analyzer’s sensitivity. Allowing for its particularity, a redesign of the noise coefficient measurement is in demand. In this paper, the factors affecting the noise coefficient measurement of LNA are discussed in detail, such as impedance matching, RF signal generator’s background interference etc. Eventually a new means of measuring the noise coefficient, with thorough scheme and implementation steps is proposed.

noise figure, impedance, VLF, harmonic interference

2014年9月10日,

2014年10月29日

陈传克,男,硕士研究生,研究方向:微弱信号检测。蒋宇中,男,教授,研究方向:通信理论与技术、数字信号处理。张曙霞,女,副教授,研究方向:通信理论与技术。

TN919.6

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.035