低噪声可变增益放大电路的设计和应用

低噪声可变增益放大电路的设计和应用

［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。

（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12～

385MHz，在25℃时噪声系数为4～5dB，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0.3～900MHz，在20～300MHz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为隔直电容，输入阻抗单端为500Ω。C18、R7、C20为电源去耦电路，RF2637的工作电流在10～12mA,工作电压为2.7～3.3V，电源电压为5V，串入200Ω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。

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

50MHz～1GHz。图2是该放大电路的增益和噪声的测试结果。图2a显示了50MHz～1GHz的插入增益，可见该电路在50MHz～500MHz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0.5～2.5V的范围内，增益控制范围为-36～47dB，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。

（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：

最后在电路布局中需要注意的是：由于电路中采用