通用超低噪聲射頻電路線性電源設計

李維亮

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

近年來隨著射頻信號裝置在個人通信、無線通信、衛星導航等領域的廣泛應用，對射頻信號裝置的性能指標要求越來越高，而電源設計對裝置的性能指標影響至關重要。射頻電路電源需要具有輸出穩定、噪聲低、適用性強等特點，這樣才能有效保證射頻信號裝置輸出信號頻譜純度和相位噪聲等關鍵指標，為射頻信號裝置的穩定運行提供保障。

在現有的電源穩壓電路設計中，大多數采用集成電路形式，針對正電穩壓或者負電穩壓都需要不同的穩壓芯片實現，并且穩壓電路設計中大多用于集總參數電路供電對射頻電路的低噪聲供電電源的設計考慮不全面。

本文所提出的通用超低噪聲射頻電路線性電源設計方法，通用性強，用相同的電路器件既可以組建正電穩壓電路又可以組建負電穩壓電路，減小器件種類和元器件成本；在電路設計中引入降低噪聲的設計電路，降低穩壓電路輸出噪聲；穩壓壓差小，輸入電壓和輸出電壓壓差滿足PN結導通電壓（最小0.2V）即可正常工作并且工作效率高。

1 線性穩壓電路原理

現有的線性電源穩壓電路設計主要由基準電壓電路、誤差放大器、調整管和反饋網絡組成，如圖1所示。

其中基準電壓電路可以提供一個穩定的基準電壓。常用的電壓基準源結構是齊納二極管或者帶隙基準源產生的精密參考電壓源。調整管又被稱為功率管，主要作用是作為輸入到輸出的大電流通道，并且具有一定的輸入輸出電壓差和輸出電流調節能力。反饋網絡一般由電阻網絡和補償電容組成，主要作用是將輸出電壓變化反饋至誤差放大器輸入端，即作為反饋電壓。誤差放大器、調整管和反饋網絡組成了一個閉環反饋系統。下文將分別介紹射頻電路中使用的正電穩壓電路和負電穩壓電路。

圖1 線性穩壓電路原理圖

2 正電穩壓電路設計

正電穩壓電路的電路結構圖如圖2所示，該電路主要由參考電壓源Vc1，供電電壓源Vc2、供電電壓源Vc3、磁珠Y1、磁珠Y2、磁珠Y3、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2、電容C3和三極管V1組成。

參考電壓源Vc1提供高精度的參考電壓值；磁珠Y1可以用來作為電源濾波器，降低參考電源的噪聲對輸出電壓的影響；電阻R1的值等于電阻R2與電阻R3的并聯值，用于減小運算放大器輸入偏置電流對輸出的影響；電容C1為積分電容，該電容一方面可以調節三極管的導通上升時間，另一方面可調整整個電路的相位裕度以保證電路的穩定性；電阻R4用于調整三極管基極的電壓值；運算放大器N1為低噪聲運算放大器，可以降低輸出電壓的噪聲電平，通過同相和反相的虛短虛斷保證電路的正常工作；供電電源Vc2為正壓電源，供電電源Vc3為負壓電源，這兩種電源為運算放大器N1供電，通過利用雙電源供電也使得該電路通過調整之后可以提供負電穩壓電路；電阻R2和電阻R3為比例電阻，通過該電阻可以調整輸出電壓的設定值；電容C3為濾波電容可以削弱電路中高頻成分對輸出電路的影響并調節整個射頻供電電路的頻響特性；三極管V1提供輸入輸出電流通路，并提高輸出電壓與輸入電壓的噪聲抑制比，降低輸出電壓噪聲；磁珠Y2對輸入電壓進行噪聲抑制，磁珠Y3對輸出電壓進行噪聲抑制，最終保證輸出低噪聲穩壓電源。

圖2 正電穩壓電路結構圖

正電穩壓電路的工作原理如下：

輸出負載穩定時：參考電壓Vc1產生的精準參考電壓輸入到運算放大器N1的反相端口，根據虛短可以算得輸出電壓Vout=Vc1/R2*(R2+R3)，根據積分電路設計產生三極管V1的基極B端的電壓值從而使三極管V1工作在放大區，電路正常工作。

輸出負載變化時：當Vout的輸出電流減小即Vout增大，則器件N1正相端口的反饋電壓為R2*Vout/（R2+R3）也隨之增加，該正相端口電壓與參考電壓Vc1進行比較，其差值電壓經過積分與比較放大之后使三極管V1的基極B端電壓減小，從而減小輸出端電流并增大三極管V1的發射極E與集電極C之間的電壓，最終使得Vout下降進而維持Vout的穩定狀態。同理，當Vout輸出電流增大時，也將使得輸出電壓保持在穩定狀態。

3 負電穩壓電路設計

負電穩壓電路的電路結構圖如圖3所示，該電路主要由參考電壓源Vc1，供電電壓源Vc2、供電電壓源Vc3、磁珠Y1、磁珠Y2、磁珠Y3、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電容C1、電容C2、電容C3和三極管V1組成，所采用元器件種類與正電穩壓電路完全一樣。

圖3 負電穩壓電路結構圖

參考電壓源Vc1提供高精度的參考電壓值；磁珠Y1可以用來作為電源濾波器，降低參考電源的噪聲對輸出電壓的影響；電阻R1、電阻R2與電阻R3通過運算放大器進行分壓產生負電輸出電壓值；電容C1為積分電容，該電容一方面可以調節三極管的導通上升時間，另一方面可調整整個電路的相位裕度以保證電路的穩定性；電阻R4用于調整三極管基極的電壓值；運算放大器N1為低噪聲運算放大器，可以降低輸出電壓的噪聲電平，通過同相和反相的虛短虛斷保證電路的正常工作；供電電源Vc2為正壓電源，供電電源Vc3為負壓電源，這兩種電源為運算放大器N1供電，利用負電供電特性可以使得積分后在三極管基極產生負電電壓進而保證整個電路的正常工作；電容C3為濾波電容可以削弱電路中高頻成分對輸出電路的影響并調節整個射頻供電電路的頻響特性；三極管V1提供輸入輸出電流通路，并提高輸出電壓與輸入電壓的噪聲抑制比，降低輸出電壓噪聲；磁珠Y2對輸入電壓進行噪聲抑制，磁珠Y3對輸出電壓進行噪聲抑制，最終保證輸出低噪聲穩壓電源。

負電穩壓電路的工作原理如下：

輸出負載穩定時：參考電壓Vc1產生的精準參考電壓輸入到運算放大器N1的反相端口，根據虛短可以算得輸出電壓Vout=-Vc1/R2*(R2+R3)，根據積分電路設計產生三極管V1的基極B端的電壓值從而使三極管V1工作在放大區，電路正常工作。

輸出負載變化時：當Vout的輸出電流減小即Vout增大，則器件N1負相端口的反饋電流為Vout/（R2+R3）也隨之增加，該負相端口電流的變化差值經過積分與比較放大之后使三極管V1的基極B端電壓減小，從而減小輸出端電流并增大三極管V1的發射極E與集電極C之間的電壓，最終使得Vout下降進而維持Vout的穩定狀態。同理，當Vout輸出電流增大時，也將使得輸出電壓保持在穩定狀態。

4 試驗結果

本文所提出的電源設計方法已經廣泛應用于PXIe小型化高純本振信號產生電路中，通過將PXIe機箱的+3.3V和+12V電壓開關電源轉換之后，再利用本文的線性電源設計方案，轉換成+5V、+3.3V、+1.8V、-5V、-12V等射頻電路常用供電電源，最終輸出的射頻信號相位噪聲能夠達到-117dBc/Hz@10kHz（10GHz載波），如圖4所示，并且信號中沒有明顯的電源雜散信號。

圖4

5 結語

本文通過分立元器件所設計的通用超低噪聲射頻電路的線性電源，具有以下三個優點：

（1）通用性強，設計中采用完全相同的器件通過簡單更改電路連接方式既可以實現正電穩壓電路也可以實現負電穩壓電路，減小射頻電源電路的元器件種類，降低電路設計管理成本。

（2）整個射頻電源電路的輸出噪聲低，通過采用低噪聲運算放大器以及在參考電壓源、電壓輸入和電源輸出端增加濾波元器件的設計方案，能夠有效抑制低頻電源噪聲，降低輸出端的電源噪聲。

（3）輸入電壓和輸出電壓的壓差低，在最小0.2V的壓差情況下就能保證整個電路的正常工作并且具有較大的電流輸出能力，降低功耗提高電源工作效率。

該電路所具有的優點使其更適合于超低噪聲射頻電路的電源供電設計中。