設計一款超低噪聲的S頻段放大器

標簽：模擬 電子 IT 半導體

工程師們一般都把RF低噪聲放大器設計視為畏途。要在穩(wěn)定高增益情況下獲得低噪聲系數(shù)可能極具挑戰(zhàn)性，甚至使人畏懼。不過，采用最新的GaAs(砷化鎵)異質(zhì)結(jié)FET，可以設計出有高穩(wěn)定增益和低于1dB噪聲系數(shù)的放大器(參考文獻1)。本設計就講述了一個有0.77dB噪聲系數(shù)的低噪聲放大器。

制造商們一般會給出低噪聲放大器的輸入/輸出匹配、噪聲系數(shù)、增益、穩(wěn)定性、1dB壓縮點、二階和三階互調(diào)分量、帶外抑制，以及反向隔離等指標。這些參數(shù)中，很多是互相依賴的，因此在有限的時間內(nèi)要滿足所有這些設計標準，工作會很復雜(參考文獻2和3)。圖1給出了一種靈活的放大器結(jié)構(gòu)，它能滿足所有這些設計標準。

圖1，可以用GaAs異質(zhì)結(jié)FET設計一款低噪聲S頻段RF放大器。

設計用Microwave的Office AWR建立并仿真。NEC的NE3509M04 GaAsHJFET(異質(zhì)結(jié)場效應管)用作低噪聲高增益晶體管。電抗匹配的放大器輸入采用了數(shù)據(jù)表給出的最佳反射系數(shù)值，可提供低噪聲和高增益。FET設計常用的方法包括有源偏置與自舉，可防止漏源電流隨溫度而變化。而這種設計的結(jié)果是一種高性價比的小型自偏置電路，沒有給電路增加復雜性。晶體管的偏置點是2V的漏源電壓，漏極電流為15mA，此時晶體管提供約16.5dB的可接受RF增益。

電路的另一個設計目標是低噪聲放大器的無條件穩(wěn)定性。晶體管的內(nèi)部反饋與帶外頻率上的過高增益都是這種電路不穩(wěn)定的主要原因。設計采用了制造商的S參數(shù)來分析穩(wěn)定性問題。盡管L1、R1和C2支路保持了對HJFET的低頻dc-視頻頻率穩(wěn)定性，但它們的組合對S頻段下的工作表現(xiàn)為開路，有助于實現(xiàn)晶體管的噪聲匹配。C5、C8、C9和L3主要實現(xiàn)了輸出的電抗匹配以及更高的頻率穩(wěn)定性。電容C6 主要用于短接漏極線路中的偏置電阻，而不會限制最大穩(wěn)定增益。偏置線路上的R3 維持了放大器的穩(wěn)定性。并聯(lián)電容C5 也將漏極的高頻分量和諧波引入大地。柵極端的接地過孔產(chǎn)生了一個小的電感，用于放大器的電感再生，從而獲得良好的噪聲匹配。

圖2，兩級放大器之間的帶通濾波器用于抑制帶外頻率。

圖2顯示了一個兩級放大器，兩級之間有一個帶通濾波器。開發(fā)人員將設計做在一個標準的四層62mil FR4基板上。與高性價比的雙層設計不同，這個設計采用附加層做直流走線，以及將無源天線與高增益放大器級隔離開來，以防任何可能的信號泄漏和反饋造成放大器的不穩(wěn)定。最后的結(jié)果實現(xiàn)了在室溫下的0.77dB噪聲系數(shù)、28.5dB增益、1dB壓縮時的-16dBm輸入功率，以及-5.8dBm的三階互調(diào)點。輸出電壓駐波比為1.3:1。增加漏極偏置電流就可以提高三階互調(diào)水平，但代價是增加噪聲系數(shù)。

圖3，測得的放大器響應曲線中心頻率為2.332GHz。