一种LNA偏压电源的设计改进

2019-11-02 06:17尹富强

尹富强

（北京圣非凡电子系统技术开发有限公司，北京 102209）

1 低噪声放大器电路

低噪声放大器（LNA）是接收机前端十分重要的电路。图1是实际应用的一个LNA电路。该电路具有输入电压范围宽、输出电流大以及功耗小等优点。

LNA的核心器件是砷化镓场效应管。砷化镓场效应晶体管（Gallium Arsenide Field-Effect Transistor，GaAs FET）是专门用在高频、超高频以及微波无线电频放大器电路中的场效应晶体管（FET）[1]。

图1 LNA电路

在微弱信号无线通信和广播接收中，GaAs FET比大多数其他类型的场效应晶体管性能要好。它包含一个推挽结构，最大输出功率35 W，具备在甲类和甲乙类方式工作的能力，带宽也符合要求。

图2 LNA平坦度对比图

工作时发现，其中几台设备在工作中出现了信号输出不稳定现象，导致整个系统多次出现故障。从图2可以看出，LNA的工作状态不稳定，放大倍数在变化。引起这样状态的原因有3种：（1）GaAs FET管子本身有问题；（2）周围元器件不合格；（3）供电电路有干扰引入。

更换GaAs FET和周围元件后，发现不能改善平坦度曲线变化。在调节LNA增益时还发现，改变栅源极电压uGS会影响平坦度曲线毛刺：

当uGS＞-1.8 V时，uDS迅速减小，从现象判断，场效应管进入可变电阻区。

LNA故障原因是场效应管的放大倍数发生变化。GaAs FET和其他场效应管一样，是一种电压控制元件，改变uGS可以控制iD大小。对于使用的这种GaAs FET，它的特性曲线如图3所示。

图3 GaAs FET特性曲线

从故障现象可以判断，平坦度曲线之所以产生这样的现象，原因是LNA的放大倍数发生了变化，导致放大电路的静态工作点Q产生了变化。

与晶体管放大电路一样，正常的场效应管放大电路必须要设置合适的静态工作点。为保证场效应管工作在恒流区，首先要满足：

根据GaAs FET特性曲线和电路参数，场效应管的电流方程为：

根据手册得知，场效应管漏极电流IDSS=16 A。

在uGS=-2 V时，由式（2）求得iD≈5.76 A。它的动态特性分析为：

查GaAS FET参数得知，跨导gm=6 000 mS。

测试时发现，偏压电源的纹波在20 mV左右。虽然纹波不大，但是如果在uGS=-2 V时，ΔuGS=20 mV，根据式（2）计算得知，iD会有0.2 A左右的变化。因此，场效应管的静态工作点发生了明显偏移，如图4所示。

图4 变化的静态工作点

由图4可见，栅源极电压uGS发生变化时，将会引起静态工作点的变化，影响整个电路的参数，导致整个系统发生故障。

设备上的-5 V电路设计是以LTC3863为核心的电压转换电路[2]，电路如图5所示。

图5 基于LTC3863的-5 V电压转换电路

该电路电压范围宽、输出电流大，但是结构复杂。因此，决定对偏压电路进行改进。

经过资料查询对比，常用的负电压转换电路芯片有LTC1261、TCM850等。最终决定采用MAX660电压转换芯片进行偏压电路设计，因为MAX660电路结构形式简单、器件少且便于维护。

虽然电路结构简单，但是纹波大。输出电压的纹波与负载电流、振荡频率和电容有关。纹波电压Vripple符合：

其中，Vripple为纹波电压，Iout为输出电流，ESRC2为C2的等效电阻。

为了降低纹波，需选用容值大、等效电阻小的电容或者采用多个电容并联的方式。如图6所示，将引脚1接入+5 V，提高MAX660的泵浦频率，选用等效电阻小于100 mΩ的OS-CON电容多个进行并联，降低等效电阻，保证纹波控制在5 mV以内。改进后的-5 V偏压电路在LNA电路中使用正常，表现良好。

偏压电源电路对LNA来说十分重要。本文中的偏压电路从电源纹波入手，减少了电源纹波，确保有一个稳定的直流输出。

图6 改进后的MAX660的-5 V电压转换电路