低噪聲放大器設(shè)計(jì)的寬帶實(shí)現(xiàn)和負(fù)反饋原理

低噪聲放大器是通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗及遙控遙測(cè)系統(tǒng)中的必不可少的重要部件，它位于射頻接收系統(tǒng)的前端，主要功能是對(duì)天線接收到的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行線性放大，同時(shí)抑制各種噪聲干擾，提高系統(tǒng)的靈敏度。特別是隨著通信、電子對(duì)抗、微波測(cè)量等向著寬頻帶、低噪聲、小型化方向發(fā)展，放大器的低噪聲和寬頻帶設(shè)計(jì)問題得到了越來越廣泛的重視。這里給出了一個(gè)50～300MHz的低噪聲寬帶放大器的設(shè)計(jì)，該放大器在工作頻段內(nèi)具有優(yōu)良的增益平坦度和噪聲系數(shù)，能提高接收機(jī)的靈敏度。

1、寬帶實(shí)現(xiàn)和負(fù)反饋原理

寬帶放大器設(shè)計(jì)的主要障礙是有源器件的增益帶寬積的制約，即有源器件的增益在頻率高端隨著頻率的增加以6dB/倍頻程下降。寬帶放大器常用的設(shè)計(jì)方法有：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。其中負(fù)反饋式放大器具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)：降低整個(gè)電路對(duì)晶體管自身性能變化的敏感度；獲得較好的輸入阻抗匹配和較低的噪聲系數(shù)；增大工作頻帶內(nèi)放大器的穩(wěn)定性；增加放大器的線性度等。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。

采用負(fù)反饋技術(shù)的放大器如圖1所示。

圖1、負(fù)反饋式放大器

其中柵極和漏極之間的反饋網(wǎng)絡(luò)由電容、電阻和電感組成。其中電容的作用是防止反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)晶體管的直流偏置產(chǎn)生影響；電感的作用是減少放大器在頻率高端的反饋量，抵消放大器的增益隨頻率增加而降低，通過調(diào)節(jié)電感的大小可以調(diào)節(jié)放大器增益的平坦度。電阻起主要反饋?zhàn)饔?，通過調(diào)節(jié)電阻值的大小可以調(diào)節(jié)反饋量的多少。同時(shí)當(dāng)反饋電阻R = gm × Z02時(shí)，放大器可以獲得良好的阻抗匹配。

2、偏置電路和穩(wěn)定因子

2.1、偏置電路

放大器的偏置電路如圖2所示。圖2中電感L1和L2是射頻扼流圈（RFC）；電容C1-C4為電源濾波電容；R3可由公式（1）推得：

其中IDS是漏電流，IBB是流經(jīng)R1/R2分壓器網(wǎng)絡(luò)的電流。R1和R2可由式（2）和式（3）推得：

圖2、放大器的偏置電路

2.2、穩(wěn)定因子

電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)必不可少，因?yàn)楦咴鲆娣糯笃鞅容^容易自激?？紤]放大器的穩(wěn)定性時(shí)主要考慮的是穩(wěn)定系數(shù)K和|Δ|，為了得到絕對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，必須滿足K>1和|Δ|<1。

穩(wěn)定系數(shù)K和|Δ|的表達(dá)式如（4）和（5）所示：

當(dāng)上面兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，放大器絕對(duì)穩(wěn)定；如果這兩個(gè)條件不能同時(shí)得到滿足，放大器將存在潛在的不穩(wěn)定和振蕩。此時(shí)需要采取一些措施來改善放大器的穩(wěn)定性，主要方法有：源極串聯(lián)負(fù)反饋；漏極與柵極并聯(lián)負(fù)反饋；漏極串聯(lián)電阻和漏極并聯(lián)電阻；插入鐵氧體隔離器等。

3、ADS仿真及電路測(cè)試

根據(jù)Avago公司提供的ATF54143的晶體管模型，在ADS中建立電路，對(duì)設(shè)計(jì)的低噪聲放大器的S參數(shù)和噪聲系數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化?？紤]到制作加工過程中可能帶來的誤差，設(shè)計(jì)仿真的性能指標(biāo)設(shè)置必須高于所要求達(dá)到的性能指標(biāo)。通過反復(fù)的優(yōu)化，最后得到的仿真結(jié)果為：在50～300MHz頻帶內(nèi)，增益為23±0.2dB，噪聲系數(shù)小于0.4，輸入駐波小于1.4，輸出駐波小于1.4。

根據(jù)仿真結(jié)果，制作PCB板，裝配放大器，如圖3所示。

圖3、放大器實(shí)物圖

然后使用安捷倫公司的E5061A網(wǎng)絡(luò)分析儀和N8975噪聲系數(shù)分析儀對(duì)放大器進(jìn)行測(cè)試，增益、駐波和噪聲系數(shù)的測(cè)試結(jié)果分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4、增益與頻率的關(guān)系

圖5、輸入/輸出駐波與頻率的關(guān)系

圖6、噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系

由圖4、圖5和圖6可以看出，研制的低噪聲放大器在寬帶（50～300MHz）的工作頻段內(nèi)，增益大于22dB，平坦度小于±0.3dB，噪聲系數(shù)小于1.25，輸入駐波小于1.4，輸出駐波小于1.3。可以看出低噪聲放大器的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。但測(cè)試的噪聲系數(shù)比仿真結(jié)果稍差，增益比仿真結(jié)果稍低，這是由于電容、電感的寄生電阻的影響，同時(shí)調(diào)試時(shí)濾波器的輸入端口和輸出端口不是完全匹配，器件的接地性不是很好，及測(cè)試電纜和接頭的影響。

4、結(jié)語

寬帶低噪聲放大器是通信系統(tǒng)中不可或缺的重要器件，這里通過負(fù)反饋技術(shù)，選用Avago公司的高電子遷移率晶體管ATF54143設(shè)計(jì)了一個(gè)低噪聲寬帶放大器，并使用微波仿真軟件ADS進(jìn)行優(yōu)化，得出在50-300MHz的工作頻率帶內(nèi)，增益大于22dB，平坦度小于±0.3dB，噪聲系數(shù)小于1.25，輸入駐波小于1.4，輸入駐波小于1.3。

這里的創(chuàng)新點(diǎn)是使用負(fù)反饋技術(shù)設(shè)計(jì)出低噪聲寬帶放大器，該放大器具有增益高，增益平坦度優(yōu)，及噪聲系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微波通信、衛(wèi)星通信等各種電子設(shè)備中。

編輯：黃飛

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