一種低噪聲放大器模塊的設計*

顏克文　俞森吉　劉　亮

(廣州海格通信集團股份有限公司　廣州　510663)

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一種低噪聲放大器模塊的設計*

顏克文俞森吉劉亮

(廣州海格通信集團股份有限公司廣州510663)

低噪聲放大器是接收機系統(tǒng)中極其重要的一部分，論文設計的低噪聲放大器模塊采用多級級聯(lián)的甲類放大器形式，輸入和輸出端采用傳輸線變壓器進行阻抗匹配，設計的放大器模塊具有低噪聲系數(shù)的同時也具有良好的反射系數(shù)和互調(diào)，具有重要的參考意義。

低噪聲;放大器模塊;噪聲系數(shù);互調(diào)

Class NumberTN72

1　引言

低噪聲放大器的主要作用是把從天線接收到的微弱信號進行放大，盡可能地減少系統(tǒng)噪聲，使系統(tǒng)能解調(diào)出所需要的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的接收靈敏度對于通信系統(tǒng)來說是一個非常重要的指標[1～2]，其計算公式表示為：

Smin=-114(dBm/Hz)+NF+10LogBW(MHz)+S/N(dB)

從上式可以看出，當系統(tǒng)帶寬BW和信噪比S/N確定之后，噪聲系數(shù)NF對系統(tǒng)的靈敏度起決定性作用，參考多級級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)公式：

NF=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+……

從上面噪聲系數(shù)的級聯(lián)公式可以看出，對接收機系統(tǒng)影響最大的是第一級放大器的噪聲系數(shù)，后面的放大器對系統(tǒng)的靈敏度相對不敏感。因此如何降低前級的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)是提高接收靈敏度的主要目標，低噪聲放大器電路的技術指標包括：頻率范圍、增益、噪聲系數(shù)、端口反射系數(shù)、三階互調(diào)[3～4]等。

2　低噪聲放大器模塊設計

低噪聲放大模塊電路由輸入變壓器、輸出變壓器及兩部分相同的晶體管電路組成，電路簡單，線性度高，可通過調(diào)整輸入輸出變壓器匝數(shù)比來改變正向功率增益[5～7]，因此整機中要求不同增益的放大器可以采用相同的電路結構，其原理框圖如圖1所示。

圖1　低噪聲放大模塊電路原理框圖

輸入變壓器Tin由漆包線與雙孔磁環(huán)構成，它將輸入的非平衡信號轉(zhuǎn)化為兩路平衡信號分別送到輸出變壓器Tout的兩個輸入繞組，信號隨后被送到兩部分相同的晶體管電路。兩部分相同的晶體管電路均由數(shù)個相同的單元電路并行連接而成。單元電路由一個NPN晶體三極管(如圖中的Q1：BFP196W)及外圍器件(電阻、電容)組成，晶體三極管Q1按照共基極的基本組態(tài)連接電路，+1.9V的直流電壓通過電阻Rb1、Re1為其基射極提供直流偏置，信號由晶體三極管的發(fā)射極輸入，由集電極輸出，基極與發(fā)射極之間的晶體二極管V1起保護作用，避免晶體三極管在大信號輸入時基射極被反向擊穿。該單元電路的輸出信號與其它單元電路(如晶體三極管Q3組成的單元電路)的輸出信號合并輸出至變壓器Tout的輸出繞組。+12V的直流電壓通過輸出變壓器Tout為晶體三極管的集電極提供直流偏置。電路的信號輸出端口Pout是輸出變壓器Tout的一個抽頭，它與Tout的其它兩個輸出繞組構成自耦線圈。本放大電路采用變壓器耦合共基A類放大結構，其增益主要由變壓器變比決定，且與輸入/輸出阻抗關聯(lián)度較低，易于調(diào)整[8～10]。

3　低噪聲放大器模塊的仿真和測試

根據(jù)上述設計思想，通過仿真軟件對該電路的性能進行了仿真，與試驗測量結果相比較，以驗證設計思想的可行性。每一部分晶體管電路由8個單元電路組成，單元電路中，Rb1=3.9 Ohm,Re1=51 Ohm,Cb1=Ce1=1.0 uF，輸入/輸出變壓器的配置與增益要求有關。該模塊工作電壓12V，設置工作電流為350mA。

圖2　S參數(shù)仿真結果

在增益要求為3.6dB的低噪聲放大電路中，Tin的匝數(shù)比為4∶1∶1，Tout的匝數(shù)比為2∶2∶3∶3∶5，采用自耦形式，圖2、圖3是其散射參數(shù)(S參數(shù))仿真結果與實測結果。在頻率10MHz處，仿真所得的數(shù)據(jù)為：增益S21=3.88dB，輸入反射系數(shù)S11=-41.54dB，輸出反射系數(shù)S22=-33.6dB，反向隔離度S12=-4.02dB；實測所得的數(shù)據(jù)為：增益S21=3.63dB，輸入反射系數(shù)S11=-32.47dB，輸出反射系數(shù)S22=-27.45dB，反向隔離度S12=-4.29dB。對比仿真結果與實測結果可見，二者基本一致。

電路互調(diào)分量的仿真結果如圖4所示。輸入的基波分別為F1=7.0MHz，F(xiàn)2=11.9MHz，功率為10dBm，由圖中輸出端口的頻譜圖可知，基波分量的輸出為13.88dBm，三階互調(diào)分量與基波輸出的差值為100.8dB，三階互調(diào)截點輸出功率為13.88dBm+100.8/2dB=64.28dBm。表1是對低噪聲放大模塊進行實驗測量得到的數(shù)據(jù)，輸入信號功率9dBm，輸出信號功率12.8dBm，由表中數(shù)據(jù)可見，OIP3指標與仿真基本相同。在電路調(diào)試中，若輸入輸出使用傳輸線變壓器或輸入隔離變壓器，則在低頻段(5MHz以下)，OIP3指標偏低，在高頻段(5MHz以上)，OIP3指標接近仿真值，試驗證明，此現(xiàn)象與變壓器所使用的磁芯材料有關；若采用自耦式變壓器，可以改善低頻段的OIP3指標，如表1中數(shù)據(jù)所示。

圖3　S參數(shù)實測結果

圖4　互調(diào)分量仿真結果

基波RF1頻率/MHz基波RF2頻率/MHz互調(diào)/dBOIP3/dBm33.99459.8711.991.158.351221.99258.81629.99258.8

低噪聲是本模塊的設計指標，噪聲系數(shù)與輸入阻抗關系較大，但設計時要兼顧穩(wěn)定性、輸入輸出駐波、大信號阻塞等指標，與偏置電流也有關系，一般來講電流越大，則互調(diào)指標越好，但噪聲系數(shù)會越差。

用Agilent公司N8973A噪聲分析儀對本電路進行了測試，結果見圖5所示，可以看出在10MHz處，NF=1.267dB，在高端30MHz處稍差，NF=1.449dB。

圖5　噪聲系數(shù)NF實測結果

4　結語

本人闡述了低噪聲放大器在接收機系統(tǒng)中的重要性，介紹了低噪聲放大器電路的主要技術指標，并設計一款低噪聲放大器模塊，低噪聲放大器模塊在2MHz～30MHz的頻率范圍內(nèi)，增益大于3.5dB，并且可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整，端口反射系數(shù)小于-20dB，噪聲系數(shù)小于1.5dB，三階互調(diào)大于90dB，設計思想具有重要指導和參考意義。

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Design of A Low Noise Amplifier Module

YAN KewenYU SenjiLIU Liang

(Guangzhou Haige Communications Industry Group Co.,Ltd,Guangzhou510663)

Low noise amplifier is an extremely important part of the receiver system,multiple cascaded amplifier form is put to use in this paper,input and output carries out impedance matching by using transmission line transformer,the designed amplifier module has low noise coefficient and also has excellent reflection coefficient and intermodulation,this paper has the important

ignificance.

low noise,amplifier module,noise figure,intermodulation

2016年3月8日,

2016年4月29日

顏克文,男,碩士研究生,工程師,研究方向：射頻通信電路設計。俞森吉,男,碩士研究生,工程師,研究方向：射頻通信電路設計。劉亮,男,碩士研究生,工程師,研究方向：數(shù)字硬件設計。

TN72DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.036