CN101610068B - 降低放大器噪声系数的电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及降低放大器噪声系数的电路。所述放大器采用晶体三极管作为信号放大元件，所述电路中所述晶体三极管的集电极和基极之间连接有降压元件，通过调节所述降压元件的压降设置所述晶体三极管的偏置电压。采用本发明降低放大器噪声系数的电路时，电路中的放大器噪声系数明显降低，噪声特性得到明显的改善。

Description

降低放大器噪声系数的电路

技术领域

本发明涉及放大器相关的电路领域，具体涉及一种降低放大器噪声系数的电路。

背景技术

噪声是任何电路及系统设计中所无法忽略的因素。尤其是热噪声，即白噪声(由于电荷载体的热移动产生的噪声，热移动是指导体中的大量电荷载体在不停地做无规则热运动，温度越高，电荷载体的无规则的热运动越激烈)，存在于所有电子元器件中。热噪声功率的表达式为：

P_N＝kTΔf    (1)

其中k为Boltzmann常数，T为电子元器件的绝对温度(单位：开尔文)，Δf为电子元器件的频率带宽。噪声模型可由两种形式表达。其中一种是噪声电压源加串联电阻R，其等效电压v_n的表达形式为：

$\stackrel{\‾}{v_n^2}=4\mathrm{kTR\Δf}---\left(2\right)$

另一种是噪声电流源加并联电阻R，其等效电流i_n的表达形式为：

$\stackrel{\‾}{i_n^2}=4\mathrm{kT}\frac{1}{R}\mathrm{\Δf}---\left(3\right)$

图1为高频放大器的电路结构图，高频放大器包括依次连接的输入匹配电路、晶体三极管和输出匹配电路。图中T为晶体三极管，它是电路实现信号放大功能的基本组成要素。M_I和M_O分别表示输入匹配电路、输出匹配电路。由于晶体三极管中寄生电阻的存在，采用晶体三极管的任何放大器都会恶化输入信号的信噪比。其恶化的程度可用下式中定义的噪声系数F来表达：

F＝(S/N)_in/(S/N)_out    (4)

即放大器输入信噪比(S/N)_in与输出信噪比(S/N)_out的比值。或用对数形式表达，即：

NF＝10·log F    (5)

单位“dB”，N代表噪声。噪声系数越大说明该放大器对信噪比的损害越大。因此现代无线通信系统中所有接收机的前端都要求使用低噪声放大器，即噪声系数很小的放大器。其它类型的放大器，比如说发射机中用到的功率放大器和预置放大器，在设计过程中也往往会对噪声性能提出要求。

为使放大器电路中的晶体三极管能够正常工作，需要为晶体三极管提供一个相对较大的工作电压V_E和一个相对较小的偏置电压V_B。因为要使晶体三极管处于放大状态，其基极-射极之间的PN结应该正偏，集电极-基极之间的PN结应该反偏。因此，设置晶体三极管基射结正偏、集基结反偏，使晶体三极管工作在放大状态的电路，简称为偏置电路(可以理解为设置正反偏的电路)。而使晶体三极管工作在放大状态的关键是其基极电压，因此，基极电压又称为偏置电压。

通常情况下，一个放大器电路只有一个供压源，它可以被用作工作电压V_E，而V_B则必须由V_E分压得到。图2展示了最简单也是最常用的分压电路：电阻分压电路。图中R₁代表发射极和基极之间的连接的电阻，R₂代表基极和集电极之间连接的电阻。

根据欧姆定律，V_B与V_E的关系可以通过下式表达：

$V_B=V_E\frac{R_1}{R_1+R_2}---\left(6\right)$

由此可见，V_B一定小于V_E，而且V_B大小可以通过调节R₁和R₂的阻值来控制。这种利用电阻分压器来设置偏置电压的最大优点在于结构简单，容易实现；但从(2)和(3)式可以看到，电阻的引入无疑会使放大器电路乃至整个收发系统的噪声系数增加。

实际中另外一种常用的设置偏置电压V_B的方法是电流镜法，具体实现形式见图3。

图中T₁是设计放大器用的双极型晶体管，而双极型晶体管T₂和电阻R构成了直流电流源[见B.Razavi，“Design of analog CMOSintegrated circuits，”McGraw-Hill.Inc.]。通过调整电阻R可以控制流经T₂的电流大小，进而确定了T₂的基极电压。由于T₁和T₂的基极相连，因此通过上述方法也确定了T₁的工作点。这种利用电流镜来设置偏置电压的方法在集成电路中经常被用到，其最大优点在于电路性能受工艺稳定性和温度的影响小；但缺点是由于双极型晶体管T₂的引入使放大器电路乃至整个收发系统的噪声系数增加，其不良效果更甚于使用电阻分压。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低放大器噪声系数的电路，其能够降低采用晶体三极管的放大器噪声系数，从而降低该放大器由于晶体三极管中存在寄生电阻导致恶化输入信号的信噪比的程度。

为实现上述目的，本发明提供一种降低放大器噪声系数的电路，所述放大器采用晶体三极管作为信号放大元件，所述电路中所述晶体三极管的集电极和基极之间连接有降压元件，通过调节所述降压元件的压降设置所述晶体三极管的偏置电压。

优选地，所述降压元件为串联连接的若干个二极管，所述二极管的正极与所述晶体三极管的集电极连接，所述二极管的负极与所述晶体三极管的基极连接。

优选地，所述集电极和降压元件之间连接有可调电阻。

优选地，所述放大器还包括与所述晶体三极管的基极连接的输入匹配电路，及与所述晶体三极管的集电极或发射极连接的输出匹配电路。

优选地，所述二极管由除放大器中晶体三极管之外的晶体三极管的两个极连接而形成。

优选地，所述放大器中的晶体三极管采用双极型晶体三极管。

利用本发明提供的降低放大器噪声系数的电路，无需引入电阻和的更多的作为直流电流源的三极管，采用并联负反馈形式连接降压元件，整个电路的噪声系数不会因为降压元件的引入而有恶化，明显降低了放大器噪声系数。

附图说明

图1为现有技术中常用的高频放大器的电路图；

图2为现有技术中采用电阻分压方式设置偏置电压的电路；

图3为现有技术中采用电流镜法设置偏置电压的电路；

图4为常用的放大器反馈电路；

图5为依照本发明一种实施方式的降低放大器噪声系数的电路结构图；

图6为采用现有的电阻分压电路时得到的噪声系数曲线图；

图7为采用现有的电流镜法时得到的噪声系数曲线图；

图8为采用本发明降低放大器噪声系数的电路时得到的噪声系数曲线图；

图9为依照本发明另一种实施方式的降低放大器噪声系数的电路结构图。

具体实施方式

对于本发明提出的降低放大器噪声系数的电路，结合附图和实施例说明如下。

放大器反馈电路经常被用于宽带放大器的设计中。它可以分为两种，即串联负反馈和并联负反馈。当并联负反馈和串联负反馈同时被使用时，其电路结构如下图4所示。

图4中R₁代表串联负反馈，R₂代表并联负反馈。图中发射极串联负反馈能够降低整个电路对晶体三极管自身性能变化的敏感度，改善放大器驻波比，增加稳定性及增加放大器线性度。发射极串联一个无耗电感反馈时由于只降低最佳噪声源阻抗的电抗部分，而对其电阻部分几乎不影响，所以几乎不恶化噪声，易于宽带噪声匹配。但缺点是反馈量需要很好的控制，如果反馈量过小，不能够满足带宽要求，反馈量过大则降低高频端稳定性，容易引起自激；而且串联负反馈无法起到设置偏置电压的作用。并联负反馈可以适用于几个倍频程的宽带放大器设计，而且可以被用来设置偏置电压。

降低放大器噪声系数的电路中晶体三极管的集电极和基极之间连接有降压元件，即降压元件采用并联负反馈的方式与晶体三极管连接，降压元件为压降可调的降压元件，通过调节降压元件的压降设置从而设置晶体三极管的偏置电压。采用并联负反馈形式连接降压元件，整个电路的噪声系数不会因为降压元件的引入而有恶化，明显降低了放大器噪声系数。

实施例1

由于双极型晶体管的噪声特性远优于场效应管，所以在设计低噪声放大器的过程中经常被使用。本实施例中放大器中的晶体三极管采用双极型晶体管。

依照本发明的一种实施方式为，利用二极管(或是将除放大器采用的双极型晶体管之外的晶体三极管的两个极连接而构成二极管的形式，如连接基极和集电极，或连接基极和发射极)并联负反馈电路来为双极型晶体管设置偏置电压，即降压元件为串联连接的若干个二极管，二极管的正极与双极型晶体管的集电极连接，二极管的负极与双极型晶体管的基极连接。放大器还包括与双极型晶体管的基极连接的输入匹配电路，及与双极型晶体管的集电极或发射极连接的输出匹配电路。

如图5所示，双极型晶体管的基极和集电极之间连接了n个二极管。每一个二极管都有一定的导通压降V_D，根据二极管的类型和构造不同大约在0.3-1.0V之间。比如说每一个二极管的导通压降V_D为0.7V，那么双极型晶体管的偏置电压V_B等于电压V_E减去n倍的0.7V；根据这一原理可以设置双极型晶体管的偏置电压。利用这种方法来设置偏置电压的最大优点在于无需引入电阻和的更多的三极管；整个电路的噪声系数不会因为二极管的引入而有恶化。

本发明的有益效果可以通过比较某低噪声放大器利用不同的偏置电压设置电路得到不同的噪声系数来体现。该低噪声放大器工作频率为1.5GHz。它采用的有源器件为Atmel公司SiGe HBT。图6示出了利用电阻分压法为双极型晶体管提供偏置电压得到的噪声系数曲线图。理论和实践都证明，并联电阻的阻值越大，放大器电路的噪声系数越小。但尽管电路中采用了高达十几kΩ的大电阻而且放大器电路的输入端噪声匹配网络得到了最大优化，但1.5GHz处的噪声系数仍高达1.4dB以上。图7示出了利用电流镜法为双极型晶体管提供偏置电压得到的噪声系数曲线图。从图7中可以看到，此时放大器电路在1.5GHz的噪声系数降为1.048dB，得到了明显的改善，但还是比较大。图8示出了利用本实施例中采用二极管并联负反馈电路为双极型晶体管提供偏置电压得到的噪声系数。从图8中可以看到，此时放大器在1.5GHz的噪声系数只有0.914dB。由此可见，采用本发明放大器电路的噪声特性得到明显的改善。

实施例2

依照本发明的另一种实施方式为，利用二极管的导通压降来为双极型晶体管设置偏置电压。如上所述，双极型晶体管的基极和集电极之间连接了n个二极管。每一个二极管都有一定的导通压降V_D，晶体管的偏置电压V_B等于供压源V_E减去n倍的V_D。根据这一原理可以设置双极型晶体管的偏置电压；但利用这种方法来设置偏置电压以V_D为步进改变，不能进行微调。本实施例解决这个问题的方法是在双极型晶体管集电极和串联连接的晶体三极管之间加可调电阻R(见图9)。通过改变可调电阻R可以对偏置电压V_B进行微调。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种降低放大器噪声系数的电路，所述放大器采用晶体三极管作为信号放大元件，其特征在于，所述电路中所述晶体三极管的集电极和基极之间连接有降压元件，通过调节所述降压元件的压降设置所述晶体三极管的偏置电压，所述降压元件为串联连接的若干个二极管，所述集电极和所述降压元件之间连接有可调电阻。

2.根据权利要求1所述的降低放大器噪声系数的电路，其特征在于，所述二极管的正极与所述晶体三极管的集电极连接，所述二极管的负极与所述晶体三极管的基极连接。

3.根据权利要求1或2所述的降低放大器噪声系数的电路，其特征在于，所述放大器还包括与所述晶体三极管的基极连接的输入匹配电路，及与所述晶体三极管的集电极或发射极连接的输出匹配电路。

4.根据权利要求2所述的降低放大器噪声系数的电路，其特征在于，所述二极管由除放大器中晶体三极管之外的晶体三极管的两个极连接而形成。

5.根据权利要求1或2所述的降低放大器噪声系数的电路，其特征在于，所述放大器中的晶体三极管采用双极型晶体三极管。

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