一種LNA偏壓電源的設計改進

尹富強

（北京圣非凡電子系統技術開發有限公司，北京 102209）

1 低噪聲放大器電路

低噪聲放大器（LNA）是接收機前端十分重要的電路。圖1是實際應用的一個LNA電路。該電路具有輸入電壓范圍寬、輸出電流大以及功耗小等優點。

LNA的核心器件是砷化鎵場效應管。砷化鎵場效應晶體管（Gallium Arsenide Field-Effect Transistor，GaAs FET）是專門用在高頻、超高頻以及微波無線電頻放大器電路中的場效應晶體管（FET）[1]。

圖1 LNA電路

在微弱信號無線通信和廣播接收中，GaAs FET比大多數其他類型的場效應晶體管性能要好。它包含一個推挽結構，最大輸出功率35 W，具備在甲類和甲乙類方式工作的能力，帶寬也符合要求。

圖2 LNA平坦度對比圖

2 故障現象

工作時發現，其中幾臺設備在工作中出現了信號輸出不穩定現象，導致整個系統多次出現故障。從圖2可以看出，LNA的工作狀態不穩定，放大倍數在變化。引起這樣狀態的原因有3種：（1）GaAs FET管子本身有問題；（2）周圍元器件不合格；（3）供電電路有干擾引入。

更換GaAs FET和周圍元件后，發現不能改善平坦度曲線變化。在調節LNA增益時還發現，改變柵源極電壓uGS會影響平坦度曲線毛刺：

當uGS＞-1.8 V時，uDS迅速減小，從現象判斷，場效應管進入可變電阻區。

3 靜態工作點的變化

LNA故障原因是場效應管的放大倍數發生變化。GaAs FET和其他場效應管一樣，是一種電壓控制元件，改變uGS可以控制iD大小。對于使用的這種GaAs FET，它的特性曲線如圖3所示。

圖3 GaAs FET特性曲線

從故障現象可以判斷，平坦度曲線之所以產生這樣的現象，原因是LNA的放大倍數發生了變化，導致放大電路的靜態工作點Q產生了變化。

與晶體管放大電路一樣，正常的場效應管放大電路必須要設置合適的靜態工作點。為保證場效應管工作在恒流區，首先要滿足：

根據GaAs FET特性曲線和電路參數，場效應管的電流方程為：

根據手冊得知，場效應管漏極電流IDSS=16 A。

在uGS=-2 V時，由式（2）求得iD≈5.76 A。它的動態特性分析為：

查GaAS FET參數得知，跨導gm=6 000 mS。

測試時發現，偏壓電源的紋波在20 mV左右。雖然紋波不大，但是如果在uGS=-2 V時，ΔuGS=20 mV，根據式（2）計算得知，iD會有0.2 A左右的變化。因此，場效應管的靜態工作點發生了明顯偏移，如圖4所示。

圖4 變化的靜態工作點

由圖4可見，柵源極電壓uGS發生變化時，將會引起靜態工作點的變化，影響整個電路的參數，導致整個系統發生故障。

4 偏壓電路的改進

設備上的-5 V電路設計是以LTC3863為核心的電壓轉換電路[2]，電路如圖5所示。

圖5 基于LTC3863的-5 V電壓轉換電路

該電路電壓范圍寬、輸出電流大，但是結構復雜。因此，決定對偏壓電路進行改進。

經過資料查詢對比，常用的負電壓轉換電路芯片有LTC1261、TCM850等。最終決定采用MAX660電壓轉換芯片進行偏壓電路設計，因為MAX660電路結構形式簡單、器件少且便于維護。

雖然電路結構簡單，但是紋波大。輸出電壓的紋波與負載電流、振蕩頻率和電容有關。紋波電壓Vripple符合：

其中，Vripple為紋波電壓，Iout為輸出電流，ESRC2為C2的等效電阻。

為了降低紋波，需選用容值大、等效電阻小的電容或者采用多個電容并聯的方式。如圖6所示，將引腳1接入+5 V，提高MAX660的泵浦頻率，選用等效電阻小于100 mΩ的OS-CON電容多個進行并聯，降低等效電阻，保證紋波控制在5 mV以內。改進后的-5 V偏壓電路在LNA電路中使用正常，表現良好。

5 結 論

偏壓電源電路對LNA來說十分重要。本文中的偏壓電路從電源紋波入手，減少了電源紋波，確保有一個穩定的直流輸出。

圖6 改進后的MAX660的-5 V電壓轉換電路