一種用于ＤＶＢ－Ｃ射頻調諧器寬帶低噪聲放大器的設計

摘 要：設計了一種用于DVB-C射頻調諧器的寬帶低噪聲放大器。低噪聲放大器采用了負反饋拓撲結構，用于改善增益平坦度，使用Agilent公司的ADS軟件對電路進行了優化設計，測試結果表明，在50～860 MHz有線數字電視全波段內獲得了107 dB的增益，增益平坦度小于12 dB，噪聲系數小于35 dB，輸入電壓駐波比小于2，輸出電壓駐波比小于25。

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關鍵詞：DVB-C；低噪聲放大器；負反饋；ADS

中圖分類號：TN722 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0105902

A Broadband Low Noise Amplifier for DVB-C RF Tuner

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XU Zhenfeng，ZHANG Meng，YU Tianguo

(National ASIC System Engineering Research Center，Southeast University，Nanjing，210096，China)

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Abstract：A broadband low noise amplifier for DVB-C RF tuner is presented in the article.The low noise amplifier uses negative feedback topologies to improve gain flatness response.Agilent′s ADS software is used to optimize the circuit，the circuit measurement indicates that the LNA exhibits a gain of 107 dB varied between 12 dB，a noise figure less than 35 dB，input VSWR and output VSWR less than 2 and 2.5，respectively in the frequency range from 50 to 860 MHz.

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Keywords：DVB-C;low noise amplifier;negative feedback;ADS

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1 引 言

低噪聲放大器(LNA)作為DVB-C數字有線電視射頻調諧器的前端部件，對整個接收系統的性能起著至關重要的作用。用于DVB-C調諧器的寬帶低噪聲放大器不僅要求低的噪聲系數和合適的增益，還要求較高的線性度以及在50～860 MHz頻率范圍內增益平坦。對于窄帶放大器來說，其噪聲系數、增益和線性度可以很好地折衷，而寬帶放大器由于其工作在很寬的頻帶范圍內，其各項指標難于兼顧。

本文針對有線數字電視射頻調諧器的應用要求，選用飛利浦公司的BFG520/XR晶體管設計了一種寬帶低噪聲放大

器，電路采用了負反饋結構來提高放大器的增益平坦，最終放大器的各項指標均能滿足應用要求。

2 放大器電路設計

寬帶放大器要求在一個較寬的頻帶范圍內，保持增益不變。其設計的困難在于通常|S21|隨頻率每倍頻程6 dB下降，而|S12|以同樣的倍率上升，同時寬帶放大器的噪聲系數和電壓駐波比在某些頻帶范圍內惡化。運用補償匹配網絡是設計寬帶放大器的有效方法之一，其中采用有耗匹配電路設計的放大器，由于其輸入輸出匹配電路電阻的損耗，放大器增益低，噪聲大，輸出功率低^[1]。而平衡放大器雖然可獲得平坦的增益，低噪聲系數和理想的輸入輸出電壓駐波比，但電路結構較大，直流功耗大，調試不便^[2]。另一種寬帶放大器設計方法是負反饋電路^[3，4]，此電路結構簡單，能獲得較好的增益平坦度，輸入輸出匹配也易于實現。

2.1 負反饋原理

設放大電路的傳遞函數為：



由式（2）可知反饋放大電路中頻增益為A/(1+AF)，3 dB帶寬頻率變為ωHF=ωH(1+AF)。顯然，負反饋結構有效地拓展了放大器帶寬。

2.2 電路實現

采用負反饋結構的低噪聲放大器如圖2所示，

放大器基極和集電極之間的反饋電路由電阻R3、電容C3和電感L3構成。C3為隔直電容，R3決定放大器的增益和帶寬，L3隨頻率升高減少負反饋影響，優化L3也可拓寬放大器帶寬^[5]。L1不僅可補償輸出阻抗在高頻時呈容性，還可擴展放大器的帶寬。為避免放大器在工作頻段內出現振蕩，可在放大器輸入或輸出端串聯或并聯電阻，在輸入端增加電阻來穩定放大器會導致電路的噪聲系數顯著惡化，實際電路中，通過在放大器輸出端并聯電阻R2和

電容C2[GK!3]

使其在工作頻段內絕對穩定。

放大器的噪聲系數是DVB-C的最重要的指標之一，這里放大器的輸入電路設計兼顧噪聲和阻抗匹配。值得注意的是，雖然Rn-Gn噪聲模型^[6]只適用于窄帶放大器的設計，但對電路仿真可知，其噪聲系數隨頻率增加呈單調遞減。那么，只要在低頻處進行噪聲優化，其他頻率處噪聲系數就有可能小于低頻處。為了獲得較大輸入功率，輸入電路還要考慮阻抗匹配。實際電路中輸入匹配電路采用T型結構，由電容C5和電感L5、L6組成。

電路中晶體管發射極到地之間串聯一電阻R4，由于其值較小，對電路的噪聲系數影響不大，

這里主要是提高電路的輸入1 dB壓輸點。

同時，由于此時電路的輸出電壓駐波比小于25，所以輸出電路不需要作阻抗匹配。

2.3 電路改進

圖2所示的放大器電路雖然在仿真時獲得了較好的性能，但對于射頻電路來說，除了元器件的寄生參數影響電路的性能外，實際電路的版圖布局通常會帶來寄生和耦合這些不希望的因素，導致電路性能退化。為了使仿真和實測結果比較一致，在電路設計和版圖布局完成后，需要版圖級的電磁場驗證。Agilent公司的ADS軟件提供了三維平面電磁模擬器Momentum。Momentum可以計算微帶線、帶狀線、共面波導等的電磁特征，天線的輻射特征，以及電路板上的寄生、耦合效應^[7]。通過Momentum的準靜態電磁仿真，可獲得PCB版圖實際微帶線的S參數，將其導入原理圖中仿真（如圖3），最后由軟件優化，確定電路元件的最終值。

3 仿真與測試結果

本文設計的電路使用FR4的印刷電路板，介電常數εr＝43，板厚1 mm。S參數和噪聲系數的測量分別使用Agilent公司的四端口網絡分析儀E5070B和頻譜分析儀E4402B。需要注意的是在使用頻譜儀測量噪聲系數時，由于有線數字電視電纜的特征阻抗為75 Ω，而頻譜儀的輸入端口和測量噪聲的校準件阻抗為50 Ω，測試電路需要在輸入輸出電路之間進行阻抗轉化。仿真和測試結果如圖4～圖6所示。

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圖4中放大器的實測最大噪聲系數為35 dB，最小噪聲系數為326 dB，仿真噪聲系數在工作頻段內小于28 dB。與仿真相比，實測噪聲系數要大于08 dB左右，這可能來自于電路的布局和元器件的損耗。

LNA仿真與測試的增益如圖5所示，實測結果和仿真比較一致。在工作頻帶內，實測放大器增益為107 dB，增益平坦度為12 dB。在300 MHz，增益達到最大112 dB;在900 MHz，增益最小為101 dB。

電壓駐波比的測試用于確定電路輸入輸出端的匹配狀況，圖6表明，輸入和輸出電壓駐波比在中高頻處仿真和測試比較一致，但低頻處相差較大。盡管如此，仿真和測試輸入端電壓駐波比小于2，輸出端電壓駐波比小于25，輸入輸出端阻抗匹配均能滿足要求。LNA的詳細測試結果如下:

帶寬:50～860 MHz;

增益:107±06 dB;

輸入電壓駐波比:≤2;

輸出電壓駐波比:≤25;

噪聲系數:≤35 dB。

4 結 語

利用負反饋方法設計的寬帶低噪聲放大器結構簡單，易于調試，其各項性能指標能夠滿足DVB-C射頻調諧器的應用要求。在50～860 MHz有線數字電視全波段內，放大器增益為107 dB，增益平坦度12 dB，噪聲系數小于35 dB，輸入輸出電壓駐波比小于25。

參 考 文 獻

［1］Niclas K B.Reflective MatchLossy Match，Feedback and

Distributed Amplifiers:A Comparision of Multioctave Performance Characteristics[J].IEEE，MTT-S Symposium Digest，1984:215-220.

［2］Reinhold Ludwing，Pavel Bretchko.射頻電路設計——理論與應用[M].北京:電子工業出版社，2002.

［3］Bal S Virdee，Avtar S Virdee，Ben Y Banyamin.Broadband Microwave Amplifiers[M].Boston:Artech House，2004.

［4］Bal S Virdee，Avtar S Virdee，Ben Y Banyamin.Broadband Microwave Amplifiers[M].Boston:Artech House，2004.

［5］Plessas F，Kalivas G.A 5 GHz Low Noise Amplifier on 035 μm BiCMOS SiGe[A].IEEE ICECS[C].aa Sharjah，UAE.2003:1 082-1 085.

［6］Niclas K B.The Matched Feedback Amplifier:Ultrawideband Microwave Amplifiers[J].IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques，1980，28(4):285-294.

［7］Guillermo Gonzalez.微波晶體管放大器分析與設計[M].2版.北京:清華大學出版社，2002.

［8］Youri Tretiakov.Improved Modeling Accuracy of Thick Metal Passive SiGe/BiCMOS Components for UWB Using ADS Momentum.Microwave Product Digest，2004.

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作者簡介 徐臻峰 男，1979年出生，東南大學電子工程系國家專用集成電路工程技術研究中心碩士研究生。研究方向為射頻系統電路設計。

張 萌 男，1964年出生，東南大學電子工程系副教授。

于天國 男，1980年出生，東南大學電子工程系國家專用集成電路工程技術研究中心碩士研究生。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>