射頻低噪聲寬帶放大器是廣泛應(yīng)用于短波、中波、長波天線和全波接收機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。隨著近年來無線通信電子技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求通信距離越來越遠(yuǎn)，接收靈敏度越來越高，接收帶寬也越來越寬。因而對無線通信系統(tǒng)中前端射頻放大電路的性能要求也就日益變高。理想的放大電路只增加期望信號的幅度，而不增加任何噪聲和失真。然而，已知放大電路都會(huì)在期望的信號中增加
噪聲和失真，并且高性能的放大電路也追求更高的帶寬范圍。對低噪聲寬帶放大器的基本要求是：噪聲性能好、增益足夠大、工作穩(wěn)定性好、足夠的帶寬和大的動(dòng)態(tài)范圍。本文給出了一種可應(yīng)用于無線接收機(jī)的寬帶放大器模塊的設(shè)計(jì)方案以及具體的硬件實(shí)現(xiàn)。
1 寬帶運(yùn)算放大器CLC425特點(diǎn)簡介
CLC425是美國國家半導(dǎo)體公司推出的一種超低噪聲寬帶運(yùn)算放大器，是一種應(yīng)用領(lǐng)域極廣，具有廣闊動(dòng)態(tài)范圍的運(yùn)算放大器，其主要性能與特點(diǎn)如下：
1)增益帶寬很高，達(dá)1．9GBW；
2)噪聲極低，輸入電壓噪聲低至
，輸入電流噪聲典型值為
，在Rs=700 Ω時(shí)，噪聲系數(shù)NF=0．9dB；
3)輸入偏移電壓為100μV，1 mV溫度漂移為2 μV／℃；
4)開環(huán)增益為96 dB時(shí)，共模抑制比CMRR為100 dB，壓擺率為350 V／μV，電源抑制比PSRR為95dB；
5)供電電流為5～10mA。
2 射頻低噪聲寬帶放大器的設(shè)計(jì)
2．1 主體放大電路設(shè)計(jì)
低噪聲寬帶放大器由兩級運(yùn)算放大電路、電源電路和濾波電路構(gòu)成。濾波電路使用無源濾波器，由電容和電感組成。使用兩級運(yùn)算放大電路是為把足夠大的增益分至兩級上，這樣既可以保證信號的穩(wěn)定又可以滿足增益需求。為濾除部分帶外噪聲，在第一級后加濾波器，避免其隨著輸入信號在第二級放大電路中放大，降低信噪比。以CLC425芯片為基礎(chǔ)的兩級放大電路如圖1所示。
在第一級放大電路中，首先由2個(gè)電阻R1、R2組成偏置電路，為運(yùn)算放大器提供偏置電壓，在輸入端接1個(gè)適當(dāng)容值的電容C1用以隔斷前路的直流分量和衰減帶外信號，在偏置電阻上端以及CLC425芯片供電端口VCC處分別接電感L1、L2和電容C2、C4，主要作用是濾除電源的高次諧波，確保電路的穩(wěn)定。在輸出端接可調(diào)反饋電阻R3至反相輸入端口，同時(shí)在反相輸入端口接出輸入電阻R4，并且串聯(lián)一電容C3，組成反饋回路。
第二級放大電路形式與前級基本相同，偏置電阻阻值等基本一致，只是在輸入輸出端電容電阻的分布不一樣，同時(shí)對反饋增益的控制也不一致。第二級放大電路主要是承擔(dān)第一級后剩余的電路放大任務(wù)和保證信號完整無誤地順接到下一級電路中去。另外，在放大后輸出端串聯(lián)1個(gè)50Ω電阻，與后級電路匹配上。需要注意的是為防止電源引起兩級放大電路不穩(wěn)定，兩個(gè)放大器的電源安排必須服從一定規(guī)則。兩級運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)為增益在5～10倍之間，這樣每級放大電路都不會(huì)承擔(dān)很大的放大任務(wù)，信號就會(huì)很穩(wěn)定的傳輸，受到的影響也會(huì)很小。
濾波器設(shè)計(jì)為高通濾波器，截止頻率點(diǎn)設(shè)在1 M上，對低頻信號有一定衰減，而對高頻信號幾乎沒影響。限幅電路主要是將信號幅值控制在±Von(Von為二級管導(dǎo)通電壓)之間，保證了第二級放大電路的放大效果不失真。
總體來看，兩級運(yùn)放放大電路的主要優(yōu)勢在于：1)增益分級承擔(dān)，電路穩(wěn)定性好；2)加入一級濾波器，噪聲性能得到提高；3)增益帶寬很容易滿足要求；4)靈敏度較強(qiáng)。
兩級運(yùn)放放大電路的主要劣勢在于：1)電路模塊稍多，布局較繁瑣；2)模塊之間級聯(lián)問題大；3)電源的使用要求較高。
2．2 電源電路設(shè)計(jì)
對高頻信號，尤其是在放大電路中，電源的影響不容忽視，一個(gè)穩(wěn)定的電源能使放大電路持久穩(wěn)定的工作，相反如果電源特性很差，不僅能使信號紊亂，還會(huì)帶來非常大的噪聲影響。
在設(shè)計(jì)方案中選用了寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器MAX5084芯片。該芯片空載時(shí)僅消耗50μA的靜態(tài)電流，關(guān)斷模式(EN拉低)下僅消耗6 A電流。其SET腳輸入接地時(shí)，選擇5 V的預(yù)置輸出電壓。另外，也可以將SET引腳通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)接到穩(wěn)壓器輸出端，在2．54～11 V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。OUT_SENSE引腳還能對負(fù)載電壓進(jìn)行遠(yuǎn)端檢測，從而消除引線電阻壓降產(chǎn)生的誤差。該芯片還具有短路保護(hù)和熱關(guān)斷功能，具體電路如圖2所示。
圖中C10主要用于改善紋波特性，C19和C20于消除芯片自激振蕩和改善瞬態(tài)響應(yīng)。為有效地把兩級放大電路電源隔開，最好在電源輸出端分兩線，一線接第一級放大電路電源，另一線加一個(gè)二極管再接至第二級放大電路電源。為保證第二級的供電電壓，電路使用鍺二極管，導(dǎo)通壓降僅為0．3 V對電路放大性能不會(huì)產(chǎn)生太大影響。
2．3 濾波器設(shè)計(jì)
濾波器主要是對帶外信號和噪聲進(jìn)行大幅度衰減，而對帶內(nèi)信號則保持不衰減或盡量小衰減通過。出于對設(shè)計(jì)的放大電路頻率范圍比較大的考慮(低頻的輸入信號一般比較大，而高頻的輸入信號一般比較小)，必須設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，并且此濾波器的要求是：1)對帶外信號，尤其是高頻分量的信號進(jìn)行較大幅度的衰減；2)保證帶內(nèi)信號盡量不衰減或衰減足夠小的通過，以確保放大器的靈敏度要求和放大器的增益要求；3)在濾除部分噪聲的同時(shí)，盡量小地產(chǎn)生噪聲帶至后級放大電路中去。所以采用無源濾波器并作圖3所示設(shè)計(jì)。
濾波器是由2個(gè)電容C1、C2和2個(gè)電感L1、L2構(gòu)成的，通過對可調(diào)電感L2的調(diào)整來調(diào)節(jié)濾波器的濾波特性，最終滿足信號選擇的要求。
3 結(jié) 論
低噪聲寬帶放大器的設(shè)計(jì)是建立在某接收機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用基礎(chǔ)上的一種方案。該方案在設(shè)計(jì)上采用了分立元器件與集成電路相結(jié)合的方式，充分利用各自的優(yōu)勢使得整體模塊具有電路設(shè)計(jì)簡單、放大效果優(yōu)良、實(shí)現(xiàn)較容易等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中還應(yīng)進(jìn)一步處理好射頻放大器增益與帶寬之間的關(guān)系，從實(shí)際需求出發(fā)，二者兼顧以獲取更好的放大性能。希望該方案能為更多的低噪聲寬帶射頻放大器的設(shè)計(jì)提供一定的參考。