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K<1，说明电路是稳定的。在特定的源阻抗或负载阻抗下，电路会产生不稳定或者振荡的现象。对实际放大电路进行测试，出现输入输出反射系数大于1的情况，证实了电路的不稳定。为了保证电路稳定，需要采取一些措施，主要的方法有以下五种：
1. 输入端并上阻性元件，但是会降低电路的NF。
2. 输出端并上阻性元件，该方法会导致低增益，并降低1dB压缩点。
3. 接入负反馈，但降低电路增益，并且有一部分噪声反馈回输入端从而降低噪声系数。
4. 用滤波电路来做匹配，通常用在输出部分，来降低特定频率范围的增益，通常是出现振荡的高频（高于工作频率）。常用的方法是采用1/4波长线或特定谐振频率的电容。
5. 射极采用电感，消除高频增益，获得高频端的稳定。
这些稳定电路的方法可以总结为：消除放大器不稳定频段的增益来实现电路的稳定，然而本电路的稳定系数在很大的频段都小于1，因此考虑主要采用第三种方法在电路集电极到基极间加入R-L-C反馈通道，引入一定的负反馈，以牺牲一部分增益来获得电路的稳定。但是，由于反馈通路会将一部分输出端的噪声反馈到输入端进行放大。因此，随着反馈量的增大，电路的噪声性能迅速恶化，可以通过适当地调整反馈通路上的电阻和电容电感的值，来改变各频段的反馈量，使电路的稳定系数K>1，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是放大器的噪声系数和增益与增益控制电压Vg的关系曲线，Vg电压在0.5V～2.5V，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=1.8dB<2dB，达到了设计要求。
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50～500MHz的无线接收机的前端。
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