低噪声可变增益放大电路的设计和应用.pdf

沿海企业与科技 coastal enterprises and science & technology 2009 年第 04 期 (总第 107 期) no.04,2009 (cumulatively no.107) 低噪声可变增益放大电路的设计和应用 林磊， 沈海根 摘要 文章介绍一款可变增益放大电路在接收机前端的应用和设计， 并通过利用 ads仿真和优化得到实际应用 电路。该可变增益放大电路的最大增益为 64db， 增益控制范围大于 83db， 最大增益时噪声系数达到 1.8db。 关键词 低噪声； 可变增益放大器 作者简介 林磊， 上海交通大学电子通讯与电气工程学院电子工程系工程硕士， 研究方向： 低噪声晶体管应用， 上 海， 201200； 沈海根， 上海交通大学， 上海， 201200 中图分类号tn721.1文献标识码a文章编号1007- 7723 （2009 ） 04- 0051- 0004 一、 引言 射频信号传输时， 由于信号传输距离、 传输路 径损耗等传输条件的变化，接收机输入信号的幅 度会在很大范围内变化。因此， 在接收机中经常会 采用增益控制电路，根据接收信号的大小控制接 收机的增益。当输入信号小， 前端放大器的增益最 大， 系统噪声系数最小， 以达到最高接收灵敏度； 当输入信号大时， 调低前端放大器的增益， 以防止 放大器和后级电路饱和引起饱和失真。根据这个 方法，利用可变增益放大器的增益控制值和混频 器 rssi （接收信号强度指示） 的输出电平， 进行综 合判断， 就能估算出发射器与接收机之间的距离， 再利用定向天线来判断信号的方向，就能够对信 号源进行定位。该方法实现简单， 电路功耗低， 发 射器、 接收机能长时间连续工作 （发射机采用间歇 发射， 通常可以连续工作 6 个月以上） 。目前该方 式普遍应用在野外的动物跟踪系统中。另外， 该系 统可以应用在城市中独居老人、智障人士等人群 或者宠物、 物品的跟踪， 便于失踪人口、 物品的寻 找， 减少事故的发生。 笔者需要设计一手持接收系统， 工作频率 ， 要 求接收灵敏度优于 - 130dbm。针对该系统设计前 端低噪声可变增益放大器。 二、 电路设计 无线电波在自由空间中传播，其传输损耗 ls 的表达式为： ls=32.45+201gf+201gd。由式可见， 自 由空间基本传输损耗 ls 与频率 f 和距离 d 有关。 当 f或和 d 增加一倍时， ls 均会增加 6db。因此无 线通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率 有关。用电池供电的发射机为了尽量延长工作时 间， 其发射功率有一定的限制。因此， 当发射机的 发射功率、 工作频率确定后， 为了尽可能提高接收 距离， 就需要保证接收系统的高接收灵敏度。 rf 接收机的接收灵敏度 pin,min=-174dbm/ hz+nf+101gb+snrmin。从式中可以得知， 在接收 系统带宽确定的情况条件下，如果要提高接收灵 敏度就要尽量降低整个系统的噪声系数。根据级 联系统的总噪声系数 ft=f1+ f2-1 g1 + f3-1 g1g2 ，可知 第一级电路的噪声是系统的主要噪声源。因此， 为 了尽量提高系统灵敏度， 需要采用低噪声、 高增益 的前端放大器。 对于本接收系统的前端放大器， 设计目标： 最 大增益时，。 （一 ） 可变增益放大电路设计和测试 rfmd 公司的 rf2637 是一款采用了低噪声 锗硅工艺的可变增益放大。从数据表中可知： 其 85mhz 工作频率时增益控制范围可以达到 - 55db 到 +51db， 工作频率 12385mhz， 在 25时噪声 系数为 45db， 电源电压 3v， 工作电流 10ma， 适 用于电池供电的手持接收系统。考虑用这款放大 器作为跟踪系统接收端的前端可变增益放大器。 1. rf2637 放大电路 rf2637 为 msop- 8 封装，其输入输出是差分 电路， 因此需要用 balun 实现单端信号与差分信号 之间的的转换。该 balun 选用 coilcraft 公司的 wbc3- 1tl 表面贴装变压器，最高 rf 输入功率 26dbm， 3db 带宽 0.3900mhz， 在 20300mhz 工 作频段内其 损耗小于 0.6db，其 特性很适合 rf2637。其电路如图 1 所示。其中 c7、 c8、 l5、 l6 为组成了输入匹配网络， c13、 c14、 l7、 l8 为输出 匹配电路， c11、 c12 用来交流接地， c9、 c10 为隔直 51 电容， 输入阻抗单端为 500。 c18、 r7、 c20 为电源 去耦电路， rf2637 的工作电流在 1012ma, 工作 电压为 2.73.3v， 电源电压为 5v， 串入 200 的 去耦电阻， 降低电源噪声干扰， 同时将 5v 的电源 电压降低到 3v左右的工作电压。 图 1rf2637 测试电路图 2. 性能测试 对以上电路进行测试，测试条件：电源电压 5.0v，增益控制电压 vg=2.3v，测试信号功率 - 70dbm， 频率范围 50mhz1ghz。图 2 是该放大 电路的增益和噪声的测试结果。图 2a 显示了 50mhz1ghz 的 插 入 增 益 ， 可 见 该 电 路 在 50mhz500mhz拥有较平坦的增益曲线。在频率 低端由于测试功率和频率已经处于网分仪 agilent 8722es的下限， 噪声干扰对测量有明显的影响。 图 2b 为该放大电路的增益和噪声与控制电压的关 系，由测试数据可知 rf2637 增益控制电压在 0.52.5v 的范围内， 增益控制范围为 - 3647db， 但由于加入了 balun、 接头、 线路的插入损耗， 电路 总噪声系数在 6db，不适合单独作为接收器前端， 还需要在 rf2637 前增加一级低噪声放大器， 以降 低 rf2637 对系统噪声系数的贡献。 图 2rf2637 放大电路增益和噪声的特性曲线 （二 ） 前端 lna设计 前级放大器选用英飞凌公司的 bfp640，该双 极性晶体管同样采用了低噪声锗硅技术，具有极 低的噪声系数和高达 70ghz的特征频率。在该器 件的数据表中给出了 spice 模型参数以及封装模 型，可以用该模型数据在 ads 中建立 bfp640 的 器件 spice 模型， 进行 lna电路的仿真。 首先通过数据表中噪声系数与工作电流的关 系曲线， 确定直流工作点： vce=3v， ic=3ma。 在 ads 中建立电路进行直流仿真优化，获得合适的直流 偏置电路参数。然后对电路进行 s参数仿真， 数据 显示放大电路在很大频率范围内 k1， 以达到电路的稳定并同时获得工作频 段具有较低的噪声系数。 在窄带接收机中， 前端电路的匹配网络不仅是 为了实现阻抗的匹配减小功率损耗，利用匹配网 络实现前端放大器的选择性来滤除镜像频率等干 扰信号， 可以避免带外信号影响接收机。而通常使 用的 l型匹配网络的有载品质因数 ql由于受到了 输入输出阻抗的限制， 其带宽特性无法自由选择。 因此， 通常在放大电路匹配网络中增加元件， 组成 型或 t 型匹配网络， 使得电路中增加了节点， 能 够通过适当地选择该节点上的阻抗来控制 ql值， 获得所需要的带通性能。 （三 ） 电路仿真和实现 为了减少实际电路匹配的调整工作， 可以在设 计时利用 ads 进行电路的仿真和优化。首先将 rf2637 放大电路在网分仪中测得 s参数，并保存 为 touchstone 格式的 s2p 文件，导入到 ads 的二 端口器件。然后建立与 bfp640 级联的放大电路， 并进行匹配电路的优化仿真。优化后需要将电容 电感换为厂家提供的器件模型，然后进一步仿真 和调整， 获得电路如图 3 所示： 图 3用 ads 仿真优化后的前端可变增益放大电路总电路图 最后在电路布局中需要注意的是：由于电路 中采用的电感为线绕电感，为了防止匹配和阻流 的电感器之间产生互耦，对电路性能产生不可预 知的影响， 在布局时， 应该注意尽量使电感互相远 离，或者采用互成 90的放置方式，降低耦合系 数。另外， 去耦电容应尽量靠近芯片， 以获得更好 的去耦效果， 减少干扰。 三、 测试结果 通过对上述放大电路测试， 增益和噪声系数的 测试结果如图 4 所示。为了减少干扰信号对测试 结果的影响，的 测 试 选 择 增 益 控 制 电 压 vg=1.8v， 测试功率 p=- 70dbm。图 4a 显示了 50 500mhz的特性曲线， 可以看出放大器增益 曲线呈现了带通的特性。图 4b 是放大器的噪声系 53 数和增益与增益控制电压 vg的关系曲线， vg电压 在 0.5v2.5v，电路的增益控制范围为 - 18 65db，最高增益时，放大器噪声 系数 nf=1. 8db2db， 达到了设计要求。 图 4放大器的噪声系数和增益的特性曲线 四、 结语 该前端可变增益放大器的最大增益达到 64db，并且实现了 83db 以上的增益控制范围， 最 大增益时噪声系数达到了 1.8db。该电路可以应用 在跟踪系统接收的前端， 以实现高灵敏度接收。但 由于测试电路是根据测试仪器 50 欧输入输出阻 抗进行计算的匹配网络，在应用时还必须根据实 际天线和后级混频器的输入阻抗进行匹配电路的 相应调整， 以获得更好的匹配。同时， 该放大器也 能应用在其他 50500mhz的无线接收机的前端。 参考文献 1 reinhold ludwig, pavel bretchko. 射频电路设计理 论与应用 m .北京:电子工业出版社,2002. 2 behzad razavi.射频微电子 m .北京:清华大学出版社, 2006. 3 李缉熙.射频电路与芯片设计要点 m .北京:高等教育出 版社,2007. 4 christopher bowick， john blyler， cheryl ajluni. 射频电路 设计 m .北京:电子工业出版社,2008. 5 jarek lucek. lna design for cdma front end z .philips semiconductors. 6 joseph j.carr. rf componnets and circuits m .uk. ra- dio society ofgreat britain, 2002. 7 市川裕一.青木胜. 高频电路设计与制作 m .北京:科学 出版社,2006. 8 刘强,虞忠辉.宽带低噪声 a