宽频带低噪声放大器的设计

2012-08-17 12:24:41来源: 互联网

摘要 随着光纤通信、卫星通信向着宽频带方向发展,要求放大器的带宽也就越来越宽。文中设计了一种低噪声放大器,该放大器具有较低的噪声系数,同时工作频带较宽增益平坦度在工作频段内控制在约1dB,另外该低噪声放大器的输入输出匹配和稳定性良好。
关键词 低噪声放大器;宽频带;增益平坦度

    低噪声放大器在电路巾应用广泛,但是频带较宽的低噪声放大器增益却在频率高端常以6 dB/倍频程的速率下降,同时还考虑稳定性等诸多因素。因此宽频带低噪声放大器的设计较为复杂。文中采用负反馈式放大器结构利用ADS软件设计仿真了一副具有宽频带特性、增益较高,同时能够保证稳定性以及低噪声系数和低增益平坦度的放大器。该放大器可用于多系统卫星导航接收机的前端第一级使用。

1 低噪声放大器的设计指标
    给定放大器的设计指标如下:(1)工作频率1.1~1.6 GHz。(2)增益>15 dB。(3)增益平坦度,在频带内<1 dB。(3)驻波比,输入输出驻波比都<1.5。(4)噪声系数:频带内<1dB。
    文中设计的放大器是利用安捷伦公司的高电子迁移率晶体管(PHEMT)ATF54143管进行设计。在FET的漏极和极之间接入一个串联的RL反馈。这样调整电阻R以及电感L的值就可以改善输入输出匹配,并且通过牺牲低频增益改善稳定度。

2 未加负反馈的电路仿真设计
    厂家提供的ATF54143的资料中,噪声性能曲线如图1所示。

a.JPG


    图1是在Vds=3 V时,Ids分别为60 mA,40 mA以及80 mA时的最小噪声曲线。可以看出,在Ids=60 mA时,在1.0~2.0 GHz的范围内最小噪声都在0.4 dB以下,噪声性能优越。另外在Ids为40 mA以及80 mA时,最小噪声曲线与Ids=60 mA时的曲线基本一致,变化不大。
    表1为ATF54143在Vds=3 V,Ids=60 mA的S参数。

b.JPG

利用式(1)和式(2),当K>1时,三极管工作在稳定状态,反之若是K<1,则表示在相应的频段内,管子是较不稳定的。将表1中的有关S参数带入式(1)、式(2)就可以判断出管子在1.1~1.6 GHz频带内的稳定性。
    c.JPG
    经过计算发现在1.0GHz时K=0.514在1.5GHz时K=0.703,所以经判定,管子在Vds=3 V,Ids=60mA的条件下,在1.0~1.5GHz频带内工作是不稳定的。这通过在源极添加小的电感来使得电路变得稳定。建立如图2的偏置电路,经过仿真调试,此时Vds=3.01V,Ids=60.4mA。

d.JPG


    在没有RL负反馈的情况,电路如图3所示。

e.JPG


    经过仿真,发现结果如图4所示。

f.JPG


    从仿真结果可以看出,在源极添加小电感后的电路是稳定的。K值在1.1~1.6 GHz范围内都>1,噪声系数良好。经过调试发现,L5对于电路的噪声性能影响较大,适当的调节可使电路的噪声系数达到最佳状态。但增益虽然较高,增益平坦度却很大,达到2.3dB。

3 RL负反馈对电路和输入输出匹配稳定性
    将低增益平坦度,在FET的漏极和栅极之间接入一个串联的RL反馈。同时利用ADS软件做好输入输出的匹配。反馈示意图如图5所示。

g.JPG


    如图5为更好的降低频带内增益平坦度,在电阻和电感之间加上一个接地的电容,发现效果更好,此电容的电容值较小,调试可得最佳值。
    输出端的匹配如图6所示。

h.JPG

起初在电路的输入端添加了一个匹配网络,但在引入RL反馈之后,发现经过调试输出端与反馈链路的元器件值,可将输入端的匹配网络省略,因此输入端未加匹配结构,但最终也不失配。

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    从图7可以明显的看出,在引入RL反馈之后,同时调整其他电阻电容以及电感值,发现电路依然稳定,输入输出端的驻波比最终在1.5 GHz以下,达到了匹配目的。噪声系数nf(2)与之前相比有所增加,但总体上是低于0.6 GHz,也是符合要求的。放大器的增益虽然由于引入负反馈有所降低,但是在1.1~1.6 GHz频带内也>15 dB。同时,最重要的是增益平坦度降到了1 dB之内,同时达到了要求。

4 结束语
    通过以上的仿真设计发现,反馈在电路中的作用举足轻重,适当引入负反馈牺牲增益来提高电路的其他性能是可取的。设计的低噪声放大器频率覆盖美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的伽利略以及我国的北斗导航系统,因此可用在多模卫星导航接收机的前端来使用。但以上仿真未加工成实物,还有待于实际的测试检验。另外电路里的电感电容值较小的元器件,由于实际的电感电容较难达到,所以在电路中不应采用分立结构的实际电感,最好选择感性或者容性的微带结构来代替,以提高电路的整体可靠性。

关键字:宽频带  低噪声  放大器  设计

编辑:马悦 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0817/article_16628.html
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