一种射频宽带低噪声放大器的设计

王一冰，彭安金

一种射频宽带低噪声放大器的设计

王一冰，彭安金

(西南民族大学电气信息工程学院，四川 成都 610041)

提出了一种射频宽带低噪声放大器的实现方式，使用宽带电流反馈型运放和宽带低噪声电压反馈型运放完成了0dB～60dB增益连续可调.由于输入信号幅度小、带宽宽，系统通过屏蔽盒进行处理提高了自身的稳定性和抗干扰能力.输入电压最小峰峰值2mV，3dB带宽达0.3MHz～150MHz，最大输出正弦波有效值1.8V，在1MHz～100MHz频带内增益起伏小于1dB，性能优良，可广泛用于电子对抗、战术武器制导以及无线通信中.

射频放大器；宽带；小信号放大；增益可调

引言

宽带射频放大器广泛应用于雷达搜索探测、无人机侦察、卫星通信、电子对抗、战术武器制导以及民用无线通信中，其性能好坏直接影响到整个系统的水平，因此成为诸多射频系统设计的关键.宽带放大器常用的形式有平衡结构式放大器、负反馈式放大器、有源匹配电路、电抗网络匹配、宽带电阻匹配、分布式放大器等[1].其中负反馈式放大器具有如下明显的优点:降低放大器对有源器件性能变化的敏感度；获得较好的输入阻抗匹配和较低的噪声系数；增加放大器的稳定性和线性度等[2].因此，负反馈技术被广泛地运用于宽带放大器的设计当中.现有的移动电视中数字增益可配置的射频放大器增益调节范围比较小[3].一种新的方法是采用射频自动增益控制放大器提高动态范围[4]，当射频输入受到强干扰时，自动降低增益以免信号链路饱和，下变频后通过中频滤波器滤除干扰，以达到抑制干扰的同时不减少有用信号信噪比的目的.因此宽带射频放大器的带宽、高增益、增益平坦度、动态范围就成为设计的关键性指标.本宽带射频放大器要求达到指标如下:

(1)电压增益≥60dB，输入电压有效值≤1 mV.电压增益在0～60dB范围内可调.

(2)放大器BW-3dB的频率下限≤0.3MHz，上限≥100MHz，在0.3MHz～80MHz内增益起伏≤1dB；在50欧负载上最大输出正弦波电压有效值≥1V.

1 系统设计

1.1 增益可调设计

方案一:电阻网络衰减.通过前级放大电路进行增益放大，后级由电阻网络衰减，实现0～60dB范围内宽带增益可调.

方案二:采用压控放大器.采用压控放大器(VGA)，其增益可由外部电压控制，实现一定范围内增益步进可调.

方案三:采用程控衰减器.其衰减倍数可程控，实现步进的衰减.

方案一采用电阻网络衰减，步进大难以做到连续衰减，而且存在负载效应影响精度.方案二采用VGA实现增益可调，但VGA方式带宽受到限制，难以实现150MHz.方案三采用程控衰减器.综合考虑，本次设计采用方案三，结合前级增益变化，后级由数字步进衰减器实现增益可调.

1.2 放大器的宽带高增益设计

按照指标的要求，信号通频带0.3～100Mhz最大电压增益Av≥60dB，增益带宽积达到100GHz，单级放大甚至两级放大都是难以做到的.因此通过将单级增益保持在 20dB以下，采用多级级联的方式实现60dB的目标.本系统中，采用两级固定增益实现30dB放大(后级50欧负载实得增益)，中间级实现 0～50dB放大(后级50欧负载实得增益)，末级-30dB～-60dB的衰减和0～20dB的增益(后级50欧负载实得增益).

1.3 频带内增益起伏控制

按照指标的要求，整个系统至少要满足在1～80MHz内最大增益波动不大于1dB.由于本系统是五级级联结构，且每一级都单独工作，而系统总的增益曲线为各模块的叠加.考虑最极端的情况，即各部分的最大增益波动点在同一位置，此时要保证各级最大增益波动小于0.2dB才可满足指标要求.因此，在进行单级设计时应该尽可能降低在1～80MHz通带内的波动，这就对芯片性能提出了挑战，必要时可通过外接LC网络进行一定的增益补偿.

1.4 射频放大器的稳定性分析

稳定性问题一直是放大器设计的重点之一.对于宽带放大器，稳定性问题尤为重要，在设计初期就要认真考虑.造成放大器不稳定的因素主要来自内部正反馈和外部耦合干扰.对于前者，可能由于布线不合理、放大器反馈设计不合理、单级增益过高，各级信号通过公共网络(如馈电网络)进行串扰等原因造成.因此首先应限制单级增益，对于高速电流型运放可以参考相应器件手册给出的建议反馈电阻.为了防止因馈电网络造成的串扰，可对每一级网络进行单独供电.在电路实际制作中，应合理布局布线，考虑电磁兼容性并采用各种抗干扰手段.

2 芯片选择

根据设计要求，对所选芯片有如下要求:

1)低噪声和低失真

2)-3dB带宽应远超300KHz～100MHz范围

3)在1～80MHz频带内，增益起伏小于0.2dB

4)后一级驱动电流有效值需大于20mA

考虑到输入级信噪比要高，选择电压反馈型运放.宽带低噪声单位增益稳定的电压反馈型运放OPA847，带宽为 3.9GHz，增益为 20倍时带宽为325MHz，可满足带宽要求且增益稳定，但是由于OPA847放大大信号时平坦度下降所以只选作输入级使用.

中间级必须满足在1～80MHz频带内高增益，增益起伏小于1dB.由于电压反馈型运放增益带宽积一定，带宽本身会限制增益的提高，所以选择电流反馈型运放以减小增益的调节对带宽的影响.封装为SOT -23的低失真运放LMH6703，3分贝带宽为1.2 G，在频率100M内增益平坦，且增益最高可达10倍，可满足带宽、增益要求.

OPA847的增益平坦度如下(图1选自德州仪器研发芯片OPA847的数据手册):

图1 OPA847的幅频特性曲线Fig.1 Closed-Loop Gain vs Frequency of OPA847

LMH6703的增益平坦度如下(图2选自德州仪器研发芯片LMH6703的数据手册):

图2 LMH6703的幅频特性曲线Fig.2 Closed-Loop Gain vs Frequency of LMH6703

由图一、二可知我们选择OPA847、LMH6703能满足平坦度要求.

LMH6703其输出电流可达90mA，作为输出级可满足最后一级驱动电流有效值需大于20mA的要求.

综合以上，选择OPA847、LMH6703可满足设计要求.

3 系统框图及负反馈放大器的稳定措施

通过核心方案论证，本系统由OPA847作为输入级单级放大20dB，中间级通过电流型运放LMH6703实现10dB～60dB增益控制，再通过衰减网络进行-30dB～-60dB衰减，最后接入驱动级形成0dB～20dB的增益.系统框图如图3所示.

本系统的放大倍数大于60dB，当电源去耦不好时各级信号电流在内阻上的电压降将产生互耦作用，而本系统的带宽很宽，信号很容易通过电源线相互耦合，若耦合信号起振，电路将产生寄生振荡.所以为了提高射频放大器的稳定性应尽量要做好电源去耦，除了在每个芯片的电源脚接去耦电容，还在电源线中接入了EMI滤波器.同时电流反馈型运放构建的放大器也容易因反馈阻抗值的变化造成自激振荡，因此每个运放的反馈电阻尽量靠近运放输入引脚，以免反馈回路中的分布电容引入新极点，必要时还进行了滞后相位补偿.

图3 系统框图Fig.3 System Block

4 电路设计

4.1 前置放大器设计

OPA847是电压反馈型运放，它组建的反相放大器抑制噪声能力强，且容易实现特征阻抗匹配，所以第一级由OPA847构成反相放大器以提高信噪比.

通过方案论证和理论分析，系统前级电路采用宽带放大器OPA847实现20dB增益放大.OPA847为宽带放大器，带宽为3.9GHz，压摆率为950V/μs，完全达到指标要求.具体电路如图4所示.

图4 前置放大器Fig.4 Preamplifier Circuit

4.2 中间级放大电路

中间级选用电流反馈型运放LMH6703构成同相交流放大器以实现源阻抗匹配.

电流反馈型运放LMH6703的闭环增益和频率响应主要取决于反馈电阻的值.反馈电阻的取值决定着电流反馈型运放的工作稳定性.最佳值既可以保证最大带宽，也可以保证稳定地放大而不振荡，对于封装为SOT-23-6的LMH6703最佳的反馈电阻值为560Ω，封装为SOIC则最佳反馈电阻值为390Ω.同时，电流反馈型运放的反馈环路中不允许有电容，因为电容会降低反馈阻抗导致振荡.出于同样的原因，杂散电容也必须控制在运放的反相输入端周围.

电流反馈型运放LMH6703的仿真测试图如下:

图5 LMH6703的仿真测试图Fig.5 The simulation test Circuit of LMH6703

输入10mV时LMH6703的输出波形如图6:

图6 输入10mV时的响应Fig.6 Response of 10mV input

电流反馈型运放LMH6703的3分贝带宽为1.2 G，在频率100M内增益平坦，可构成2级宽带放大器，完整电路图如图7所示.

由电流反馈型运放LMH6703构成交流同相放大器，电流反馈型运放改变增益对带宽影响较小，所以在高增益的同时能满足带宽要求.且交流同相放大器输入阻抗高，有利于源阻抗匹配.根据每级的增益确定其反馈电阻和增益电阻，调节阻值由图8所示.

4.3 衰减电路设计

该系统设计的是增益从0dB到60dB可调，但因放大器的增益调到最佳可提高信噪比，为实现增益0dB在系统最后级设计-30dB到-60dB的衰减网络以抵消前级的增益.系统不同模块由同轴电缆传输，同轴电缆的阻抗为50Ω，因此Z0＝50Ω.由于T型电阻网络电阻值较难买到，所以选择π型衰减网络，其衰减结构对应图9所示.

图7 中间级放大电路Fig.7 intermediate stage Amplifier Circuit

图8 LMH6703反馈电阻的增益特性曲线Fig.8 RF vs Gain of LMH6703

图9 π型衰减网络Fig.9 PI type attenuator

当衰减30dB时R2基本保持在50Ω附近，所以采用定值电阻1K和5K的滑动变阻器串联组成R1完成30dB衰减.为避免π型无源衰减器的负载效应，后面接一级缓冲放大器.原理图如图10所示.

再接入数字步进衰减器(步进值0.5 dB)新增0～-30dB衰减，即可得到-30 dB～-60 dB的总衰减.最后接入驱动级形成0dB～20dB的增益以驱动50欧负载，LMH6703输出电流可达90mA，作为输出级可满足最后一级驱动电流有效值需大于20mA的要求，电路图与中间级放大器相同.

5 试验数据的测量与分析

5.1 测试仪器

① RIGOL DG4072 100MHz信号源

② 泰克TDS2022C 500MHz示波器

③ APS3003S-3D高精度线性直流稳压源

5.2 测试方案与记录

选取频率20MHz，输入电压固定为2.7mVpp，调整电路的增益，测试是否增益在0～62dB内可调.

图10 -30dB衰减器Fig.10 -30dB attenuator

表1 动态范围与增益可调性测试Table1 Dynamic range and gain adjustability test

输入电压固定为2.7mVpp，增益选取最大增益62dB以在最坏情况进行测试，改变信号频率，测试-3dB带宽和带内增益平坦度如下.

据测试记录可知，输入电压有效值小于等于1mV的时候，增益0～62dB可调，满足指标要求.

表2 带宽与通带增益平坦度测试Table2 Bandwidth and gain Flatness In Band test

据测试记录可知，电压增益为62dB的时候，-3dB带宽达到150MHz，在0.3MHz～90MHz频带内增益起伏小于0.8dB，完全满足指标要求.

6 结论

本文首先设计并分析了射频宽带放大器的总体方案，然后将指标分配给前级、中间级与末级，据此选择有源器件，采用多级放大与负反馈技术设计了射频宽带放大器，获得了良好的效果，本射频宽带放大器可广泛用于电子对抗、战术武器制导以及民用无线通信中.

[1]刘畅，梁晓新，阎跃鹏.射频宽带低噪声放大器设计[J].电子测量与仪器学报，2009(增刊):196-202.

[2]刘抒民，田立卿.使用负反馈技术设计宽带低噪声放大器[J].遥测遥控，2007，28(6):59-63.

[3]XIAO J，MEHR I，SILVA-MARTINEZ J.A high dynamic range CMOS variable gain amplifier for mobile DTV tuner[J].Solid-State Circuits，IEEE Journal of，2007，42(2):292-301.

[4]WANG C C，LEE C L，LIN L P，et al.Wideband 70dB CMOS digital variable gain amp lifier design for DVB-T receiver's AGC[C]//Circuits and Systems，2005.ISCAS 2005.IEEE International Symposium

on.IEEE，2005:356-359.

[5]冈村迪夫.OP放大电路设计[M].王玲，等译.北京:科学出版社，2010.

[6]塞尔吉欧.弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].刘树棠，等译.西安:西安交通大学出版社，2009.

[7]PARIN V.Aanlysis of CDMA Signal Spetral Regrowth andWaveform Quality[J].IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques，2001(49):2306-2314.

[8]SHAH C A，VARSHNEY P K.A Higher Order Statistical Approachto Spectral Unmixing of Remote Sensing Imagery[J].IEEE，2004(2): 1065-1068.

[9]张剑平.程控放大器及其精度研究[J].仪器仪表学报，2006，27 (6).

[10]赵碧杉，曾攀，谢桂辉.一种可编程宽带放大器的设计[J].电子设计工程，2009.17(7):26-28

[11]宋加磊，潘克修，陈斌，等.高性能宽带直流放大器的设计与实现[J].军事通信技术，2010.31(2):81-84.

[12]尤志刚，邓立科，杨小军，等.基于反馈技术的宽带低噪声放大器的设计[J].通信技术，2011.44(2):149-153.

[13]鹿璇，任翔，罗国君，等.一种可控宽带直流放大器的设计[J].宇航计测技术，2010.30(4):63-65.

[14]王康，胡航宇，耿东晛.一种微弱信号的宽带程控高增益放大器设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011(1):9-12.

[15]王俊杰，黄心汉.程控增益放大器和自动调整增益放大器的设计[J].电子技术应用，1998(4):50-51.

(责任编辑:张阳，付强，李建忠，罗敏；英文编辑:周序林)

Design of low-noise radio frequency wideband amp lifier

WANG Yi-bing，PENG An-jin

(Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

A method of implementing low-noise RFwideband amplifier is proposed in this paper，whose gain can be turned from 0dB to 60dB continuously by usingwideband current feedback op amp and broadband low-noise voltage-feedback op amp.Since the input signal is small and of wideband，the system stability and anti-jamming capability are improved by using shielding box. The inputminimum peak-to-peak voltage is 2mV，the 3dB bandwidth is 0.3MHz～150MHz，maximum RMS output of sine wave is1.8V，and the gain variation is less than 1dB in frequency band from 1MHz to 100MHz，so the performance is excellent. It can be used in electromagnetic countermeasure，weapon guidance and radio communication.

RF amplifier；wideband；small signal；gain

TN722

A

2095-4271(2015)03-0383-08

10.11920/xnmdzk.2015.03.023

2014-11-12

王一冰(1969-)，男，汉族，四川泸州人，讲师，研究方向:电路与系统等.E-mail:zgwybing＠163.com.