一种共电流型宽带低噪声放大器设计

程冰 竹卫峥 沈一鸣 范小龙(南京电子器件研究所,江苏南京 210016)



一种共电流型宽带低噪声放大器设计

程冰 竹卫峥 沈一鸣 范小龙
(南京电子器件研究所,江苏南京 210016)

【摘 要】本文设计了一种共电流型,宽带的低噪声放大器,主要特点是二只放大管电流共享,并且带宽较宽。电路采用噪声较低的0.5μm E—PHEMT器件,进行低噪声电路的设计。为了实现较宽的工作频带,电路采用了适当的负反馈设计,综合考虑了带宽与低噪声性能的结合,并增加了电路的稳定性。本文还对共电流电路可能产生的电压过冲问题进行了分析,提出了改良措施。本电路使用表贴工艺实现。

【关键词】共电流 宽带 低噪声放大器

1 引言

低噪声放大器广泛应用于各种接收系统，由于宽带低噪声放大器的带宽较宽，能适应更广泛的应用场合。本文以某电路为例，简要介绍了一种宽带低噪声放大器的设计，并且使用了共享电流方案设计，对电路功耗做了改善。

2 电路设计

图1 放大器拓扑及电流流向示意图

图2 增益及驻波仿真

2.1 放大管的选择

根据需求，对多个放大管生产厂家的产品进行查询，选择Avago公司的GaAs场效应晶体管ATF-551M4。该放大管为E-PHEMT，工作在2.7V/10mA，最佳噪声系数在2GHz为0.39dB，满足本设计要求。

2.2 电路拓扑设计

总电路的拓扑设计如图1所示。

图3 噪声及稳定性仿真

图4 实物照片

图5 增益、驻波测试

图6 初始状态电压过冲

表1 噪声测试

电路采用2级放大管(A1、A2)，2级放大管都采用共源电路。共源电路噪声低、增益高，适合本文低噪声电路的设计需求。电容C1、C2、C3、C4、C6、C7、C8、C9、C12、C13仅起到隔直流的作用。

2.2.1 电抗匹配电路

电抗匹配电路是一种无损匹配，结构简单，用处广泛，尤其是在低噪声电路的输入端匹配，使用较多。

放大管A1的电抗匹配元件为L3、L4、L6、C5。L3匹配输入驻波和噪声。L4匹配增益平坦度及输出驻波。L6进行两级放大管之间的驻波匹配。C5匹配输出驻波。

放大管A2的电抗匹配元件为L8、L9、C10、C11。L8匹配增益平坦度及输出驻波。L9、C10、C11匹配输出驻波。

2.2.2 负反馈电路

本设计中负反馈电路主要起扩展带宽以及提高电路稳定性的作用，使用了串联负反馈和并联负反馈。源极电感形成源极串联负反馈电路，栅极和漏极间的阻、容、感形成并联负反馈。

A1、A2的源级有电感L5、L11，适当的L5、L11能实现一个有效的匹配状态，在不恶化噪声系数的同时，改善放大器的输入驻波，并对放大器的稳定性起到一定作用。

放大管A1的并联负反馈电路元件包括C3、R4、L4。C3起隔直流的作用，R4是负反馈电阻，L4提高高频增益。负反馈电路放在第一级放大管电路中，不免对放大器的噪声产生恶化，所以主要考虑噪声指标，并兼顾带宽、输入驻波和稳定性。

放大管A2的并联负反馈电路元件包括C8、R6、L8。C8起隔直流的作用，R6是负反馈电阻，L8提高高频增益。负反馈电路放在第二级放大管电路中，主要考虑带宽指标，并兼顾输出驻波和稳定性。

2.2.3 偏置及共享电流电路

电感L1、L2、L7、L10是扼流电感，配合褪耦电容C1、C2、C7、C12对放大管进行馈电。C13提供放大管A2的源极射频接地。

放大管A1的工作电压由R1、R2、R3、+V1状态进行控制。栅压Vg1由R1、R2分压决定。R3是漏极分压电阻，起保护作用。放大管A2的工作电压由R7、R8、+V1状态进行控制。栅压Vg1由R7、R8分压决定。R5是漏极分压电阻，起保护作用。

电流流向如下:电流由+V2出发，经过分压电阻R5，扼流电感L7，匹配电感L8，进入放大管A2的漏极，从A2的源极流出，经过源电感L11，形成放大管A1的电源，电压为+V1。电流再由+V1出发，经过分压电阻R3，扼流电感L2，匹配电感L4，进入放大管A1的漏极，从A1的源极流出，经过源电感L5到地，形成直流通路。

2.2.4 仿真结果

本文采用Microwave office 2002软件，选用S参数模型进行仿真设计。选用RO 4350介质板，介质板参数为:H=0.508mm、Er＝3.38、T＝0.018mm。由于没有预设工作点的参数模型，本文选用2.7V/ 10mA的S参数模型进行计算，仿真结果会存在稍微的误差，但不影响总体设计。仿真结果如图2、图3所示。

从仿真结果看出，放大器噪声较低，带宽较宽，满足设计的要求。

3 测试结果分析

按照以上设计方案，设计出的共电流型宽带低噪声放大器如图4所示，产品为一块8×8mm电路，使用时表贴在用户系统中即可。

给放大器加电+5V，经过略微工作点调试，使放大管A1、A2的工作电压与设计相符。

测试数据如下:

电流测试为15.4mA。工作频率0.2～3GHz。输入输出驻波小于1.5，增益28.3±1dB，详细曲线见图5。由于工作电压和电流较低，输出1dB压缩点较小，仅8dBm。

噪声数据见表1。

需要注意的是，共电流型放大器有个明显的缺点:在施加电压初始阶段，+5V电压经过分压电阻R5后，先全部加载在放大管A2上，A2的初始工作电压不是预设的2V，而是接近+5V。

也就是说放大管的极限工作电压要大于+5V，在选择器件时就要注意。并且，为了防止放大器电压击穿，较少见到有3级或更多级放大器共电流的现象。

另外，初始电压震荡过冲，也可能造成放大管损坏，外加较大容值的电容或设计分压电阻R5，也可以起到保护作用。不外加电容并短路分压电阻R5，初始电压震荡过冲的图形见图6，过冲达到53.8%。

4 结语

本文介绍了一种共电流型宽带低噪声放大器的设计方法和模型。

本文中的放大器噪声较低，带宽较宽，并且结构和工艺简单，极大降低了产品功耗，并且做了防止电压震荡过冲设计，增加了电路的可靠性，并且工程实用性较强，可做作为类似产品的设计参考。

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作者简介:程冰(1981—),男,安徽宁国人,中国电子科技集团公司第五十五研究所工程师,从事微波电路设计与研究;竹卫峥(1983—),男,浙江嵊县人,中国电子科技集团公司第五十五研究所工程师,从事微波电路设计与研究;沈一鸣(1983—),男,江苏南京人,中国电子科技集团公司第五十五研究所工程师,从事微波电路设计与研究;范小龙(1989—),男,安徽马鞍山人,中国电子科技集团公司第五十五研究所工程师,从事微波电路设计与研究。