超低噪聲的S頻段放大器設計

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

制造商們一般會(huì )給出低噪聲放大器的輸入/輸出匹配、噪聲系數、增益、穩定性、1dB壓縮點(diǎn)、二階和三階互調分量、帶外抑制，以及反向隔離等指標。這些參數中，很多是互相依賴(lài)的，因此在有限的時(shí)間內要滿(mǎn)足所有這些設計標準，工作會(huì )很復雜(參考文獻2和3)。圖1給出了一種靈活的放大器結構，它能滿(mǎn)足所有這些設計標準。

圖1，可以用GaAs異質(zhì)結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)結場(chǎng)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據表給出的最佳反射系數值，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。而這種設計的結果是一種高性?xún)r(jià)比的小型自偏置電路，沒(méi)有給電路增加復雜性。晶體管的偏置點(diǎn)是2V的漏源電壓，漏極電流為15mA，此時(shí)晶體管提供約16.5dB的可接受RF增益。

電路的另一個(gè)設計目標是低噪聲放大器的無(wú)條件穩定性。晶體管的內部反饋與帶外頻率上的過(guò)高增益都是這種電路不穩定的主要原因。設計采用了制造商的S參數來(lái)分析穩定性問(wèn)題。盡管L1、R1和C2支路保持了對HJFET的低頻dc-視頻頻率穩定性，但它們的組合對S頻段下的工作表現為開(kāi)路，有助于實(shí)現晶體管的噪聲匹配。C5、C8、C9和L3主要實(shí)現了輸出的電抗匹配以及更高的頻率穩定性。電容C6 主要用于短接漏極線(xiàn)路中的偏置電阻，而不會(huì )限制最大穩定增益。偏置線(xiàn)路上的R3 維持了放大器的穩定性。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(guò)孔產(chǎn)生了一個(gè)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(gè)兩級放大器，兩級之間有一個(gè)帶通濾波器。開(kāi)發(fā)人員將設計做在一個(gè)標準的四層62mil FR4基板上。與高性?xún)r(jià)比的雙層設計不同，這個(gè)設計采用附加層做直流走線(xiàn)，以及將無(wú)源天線(xiàn)與高增益放大器級隔離開(kāi)來(lái)，以防任何可能的信號泄漏和反饋造成放大器的不穩定。最后的結果實(shí)現了在室溫下的0.77dB噪聲系數、28.5dB增益、1dB壓縮時(shí)的-16dBm輸入功率，以及-5.8dBm的三階互調點(diǎn)。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水平，但代價(jià)是增加噪聲系數。

圖3，測得的放大器響應曲線(xiàn)中心頻率為2.332GHz。