CN101789761A - 一种电容负反馈形式的低噪声放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容负反馈形式的低噪声放大器。现有的低噪声放大器电路结构复杂，存在外界噪声。本发明提出了一种结构简易的电容反馈形式的低噪放电路，它能显著平衡放大电路的噪声匹配和功率匹配之间的矛盾，而且不会引入额外的外界噪声。本发明是在完成初步设计的低噪声放大电路的基础上，在场效应管的源极与漏极之间添加一个合适大小的电容值，它能使得低噪声放大电路的最佳输入匹配点迫近最佳噪声匹配点。其实质是改变原始放大电路的最佳输入匹配阻抗的实部，让它更加接近放大电路的最佳噪声匹配阻抗的实部。本发明电路结构简易、便于实现；平衡低噪声放大器的噪声匹配和输入匹配之间的矛盾。

Description

一种电容负反馈形式的低噪声放大器

技术领域

本发明属于超短波有源器件低噪声放大器技术领域，涉及一种电容负反馈形式的低噪声放大器。

背景技术

低噪声放大器是现代通信技术和电子战等应用中一个极其重要的部分，是接收系统的核心器件。

在接收系统中，低噪声放大器总是处于前端的位置。整个接收系统的噪声取决于低噪声放大器的噪声。与普通放大器相比，低噪声放大器一方面可以减小系统的杂波干扰，提高系统的灵敏度；另一方面放大系统所需信号，保证系统工作的正常运行。低噪声放大器的性能不仅制约了整个接收系统的性能，而且，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。它已广泛地应用于宇宙通讯、雷达、电子对抗、遥测遥控、射电天文、大地测绘、微波通信等无线电通信系统中。

现有低噪声放大器的电路实现形式主要包含：平衡电路、负反馈电路、有源匹配、有损匹配和行波电路等形式。低噪声放大器的性能指标主要包括：工作带宽、通带增益及平坦度、反射损耗、噪声系数、增益压缩点等。

低噪声放大器是通过适当的偏置电路和输入输出匹配网络，结合晶体管(双极性晶体管或者场效应管)的放大作用，完成输入信号的功率放大。在此过程中，要尽量降低电路内部产生的噪声。

如图1所示，为典型的单管低噪声放大器结构示意图，包括输入匹配1、偏置网络2和电源3。对于这一电路，它在某一频率处的最佳输入匹配阻抗为Z_S＝R_S+jX_S，而最佳噪声匹配阻抗为Z_opt＝R_opt+jX_opt。两个匹配阻抗不尽相同，特别是阻抗的实部存在较大的差异。所以低噪声放大器的设计通常难以对这两方面实现同时兼顾。但是可以通过一定的电路拓扑结构形式来补偿由于为适应最佳噪声匹配而引入的源端失配。

在进行低噪声放大器源端匹配时，往往存在输入匹配和噪声系数的矛盾：为了实现低噪放的最小噪声，电路的源端匹配应按照最佳噪声点来进行设计；为了实现低噪放的最大功率传输，电路的源端匹配应按照最佳输入匹配点来进行设计。但是由于晶体管器件本身的原因，放大电路的最佳噪声匹配点与最佳输入匹配点是不相同的。本发明针对上述矛盾，提出了一种电容负反馈形式的低噪声放大电路。它在不增加电路结构复杂性的基础上，能有效减小最佳输入匹配点与最佳噪声点之间的差异，从而使放大器在实现输入阻抗匹配的同时获得理想的噪声性能。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种电容负反馈形式的低噪声放大器。

本发明针对上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种电容负反馈形式的低噪声放大器包括第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第三偏置电阻R3、第一保护电阻R4、第二保护电阻R5、反馈电阻R6、稳定电阻R7、第一隔直电容C1、第二隔直电容C5、第一旁路电容C2、第二旁路电容C3、第三旁路电容C8、第四旁路电容C9、匹配电容C4、第一反馈电容C6、第二反馈电容C7、第一匹配电感L1、第二匹配电感L2、第三匹配电感L4、第一射频扼流电感L3、第二射频扼流电感L5、场效应管PHEMT和5V供电电源。

第一匹配电感L1的一端与信号输入端连接，另一端与第二匹配电感L2的一端、第一隔直电容C1一端连接；第二匹配电感L2的另一端接地，第一隔直电容C1另一端、第一反馈电容C6的一端、第一射频扼流电感L3的一端与场效应管PHEMT的栅极连接；第一射频扼流电感L3的另一端、第一旁路电容C2的一端与第二保护电阻R5的一端连接，第一旁路电容C2的另一端接地；第二保护电阻R5的另一端、第二旁路电容C3的一端与第一保护电阻R4的一端连接，第二旁路电容C3的另一端接地；第一保护电阻R4的另一端、第二偏置电阻R2的一端与第三偏置电阻R3的一端连接，第三偏置电阻R3的另一端接地；

第一反馈电容C6的另一端与反馈电阻R6的一端连接，反馈电阻R6的另一端、稳定电阻R7的一端、第二射频扼流电感L5的一端、第二反馈电容C7的一端与场效应管PHEMT的漏极连接，第二反馈电容C7的另一端与场效应管PHEMT的源极连接；第二射频扼流电感L5的另一端、第二偏置电阻R2的另一端、第一偏置电阻R1的一端与第三旁路电容C8的一端连接，第三旁路电容C8的另一端接地；第一偏置电阻R1的另一端、第四旁路电容C9的一端与5V供电电源的连接，第四旁路电容C9的另一端接地；

稳定电阻R7的另一端与第二隔直电容C5的一端连接，第二隔直电容C5的另一端、匹配电容C4的一端与第三匹配电感L4的一端连接，匹配电容C4的另一端接地，第三匹配电感L4的另一端与信号输出端连接。

本发明电路结构简易、便于实现；平衡低噪声放大器的噪声匹配和输入匹配之间的矛盾，在不增加原始电路结构的基础上，改变了最佳输入匹配阻抗值的虚部，使其无限接近最佳噪声匹配阻抗的虚部。

附图说明

图1为典型低噪声放大器结构示意图；

图2为本发明的电路示意图；

图3为本发明的具体电路图；

图4为典型低噪声放大器的最佳噪声匹配点与最佳输入匹配点；

图5为电容负反馈低噪声放大器最佳噪声匹配点与最佳输入匹配点；

图6为电容负反馈低噪声放大器的性能指标随频率变化曲线图。

具体实施方式

基于电容负反馈的低噪声放大器电路的核心技术就是在晶体管的源极与漏极之间引入一个合适大小的电容，如图2所示。它是在不增加原始电路结构的基础上(包括了现有技术中的输入匹配1、偏置网络2和电源3)，改变了最佳输入匹配阻抗值的虚部X_S，使其无限接近最佳噪声匹配阻抗的虚部X_opt。

如图3所示，本实施例包括第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第三偏置电阻R3、第一保护电阻R4、第二保护电阻R5、反馈电阻R6、稳定电阻R7、第一隔直电容C1、第二隔直电容C5、第一旁路电容C2、第二旁路电容C3、第三旁路电容C8、第四旁路电容C9、匹配电容C4、第一反馈电容C6、第二反馈电容C7、第一匹配电感L1、第二匹配电感L2、第三匹配电感L4、第一射频扼流电感L3、第二射频扼流电感L5、场效应管PHEMT和5V供电电源。其中，第一匹配电感L1、第二匹配电感L2、第三匹配电感L4和匹配电容C4一起组成阻抗匹配网络，它们的作用是完成阻抗的转换，实现功率的最佳传输和噪声的最小匹配；第一隔直电容C1和第二隔直电容C5，它们既参与了阻抗匹配，同时也完成了隔直通交(隔断直流信号，接通高频信号)的功能；第一射频扼流电感L3和第二射频扼流电感L5，它们既参与了阻抗匹配，同时也完成了隔交通直(隔断高频信号，接通直流信号)的功能；第一旁路电容C2、第二旁路电容C3、第三旁路电容C8和第四旁路电容C9，它们的作用是滤除放大电路不需要的杂波，保持电路稳定地工作；第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2和第三偏置电阻R3共同组成放大电路的偏置网络，它们是为放大电路提供合适的静态工作点，使得放大器能稳定工作；第一保护电阻R4和第二保护电阻R5的主要是为了保护晶体管安全稳定的工作，防止晶体管栅极电流的突变；稳定电阻R7主要是为了提升放大电路在低频端的稳定性；反馈电阻R6和第一反馈电容C6主要是为了提升放大电路在低频端的稳定性，同时拓展了放大电路的工作带宽；第二反馈电容C7的主要作用是让放大电路的最佳输入匹配点更加接近放大电路的最佳噪声匹配点，它也是本发明的核心所在。

第一匹配电感L1的一端与信号输入端连接，另一端与第二匹配电感L2的一端、第一隔直电容C1一端连接；第二匹配电感L2的另一端接地，第一隔直电容C1另一端、第一反馈电容C6的一端、第一射频扼流电感L3的一端与场效应管PHEMT的栅极连接；第一射频扼流电感L3的另一端、第一旁路电容C2的一端与第二保护电阻R5的一端连接，第一旁路电容C2的另一端接地；第二保护电阻R5的另一端、第二旁路电容C3的一端与第一保护电阻R4的一端连接，第二旁路电容C3的另一端接地；第一保护电阻R4的另一端、第二偏置电阻R2的一端与第三偏置电阻R3的一端连接，第三偏置电阻R3的另一端接地；

第一反馈电容C6的另一端与反馈电阻R6的一端连接，反馈电阻R6的另一端、稳定电阻R7的一端、第二射频扼流电感L5的一端、第二反馈电容C7的一端与场效应管PHEMT的漏极连接，第二反馈电容C7的另一端与场效应管PHEMT的源极连接；第二射频扼流电感L5的另一端、第二偏置电阻R2的另一端、第一偏置电阻R1的一端与第三旁路电容C8的一端连接，第三旁路电容C8的另一端接地；第一偏置电阻R1的另一端、第四旁路电容C9的一端与5V供电电源的连接，第四旁路电容C9的另一端接地；

稳定电阻R7的另一端与第二隔直电容C5的一端连接，第二隔直电容C5的另一端、匹配电容C4的一端与第三匹配电感L4的一端连接，匹配电容C4的另一端接地，第三匹配电感L4的另一端与信号输出端连接。

本发明以增强型场效应管ATF-54143为核心器件进行了电容负反馈低噪声放大器设计。图4和图5分别给出了低噪声放大器在典型条件下和电容负反馈条件下，电路输入匹配阻抗和最佳噪声匹配阻抗之间的差异。由图4和图5可以看出，经过本发明的电容负反馈，放大电路的输入匹配阻抗值更为迫近放大电路的噪声匹配阻抗。

图6为电容负反馈低噪声放大电路的性能指标。在240MHz~260MHz频带内，放大电路的功率增益达到了25dBm，输入输出反射损耗值均小于-20dBm，且噪声系数也是在0.235dBm以下，这都无限接近了晶体管ATF-54143的最优值。由此可见，本发明能够帮助实现晶体管的最佳极限性能。

Claims (1)

1.一种电容负反馈形式的低噪声放大器，包括第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第三偏置电阻R3、第一保护电阻R4、第二保护电阻R5、反馈电阻R6、稳定电阻R7、第一隔直电容C1、第二隔直电容C5、第一旁路电容C2、第二旁路电容C3、第三旁路电容C8、第四旁路电容C9、匹配电容C4、第一反馈电容C6、第二反馈电容C7、第一匹配电感L1、第二匹配电感L2、第三匹配电感L4、第一射频扼流电感L3、第二射频扼流电感L5、场效应管PHEMT和5V供电电源，其特征在于：

第一匹配电感L1的一端与信号输入端连接，另一端与第二匹配电感L2的一端、第一隔直电容C1一端连接；第二匹配电感L2的另一端接地，第一隔直电容C1另一端、第一反馈电容C6的一端、第一射频扼流电感L3的一端与场效应管PHEMT的栅极连接；第一射频扼流电感L3的另一端、第一旁路电容C2的一端与第二保护电阻R5的一端连接，第一旁路电容C2的另一端接地；第二保护电阻R5的另一端、第二旁路电容C3的一端与第一保护电阻R4的一端连接，第二旁路电容C3的另一端接地；第一保护电阻R4的另一端、第二偏置电阻R2的一端与第三偏置电阻R3的一端连接，第三偏置电阻R3的另一端接地；

第一反馈电容C6的另一端与反馈电阻R6的一端连接，反馈电阻R6的另一端、稳定电阻R7的一端、第二射频扼流电感L5的一端、第二反馈电容C7的一端与场效应管PHEMT的漏极连接，第二反馈电容C7的另一端与场效应管PHEMT的源极连接；第二射频扼流电感L5的另一端、第二偏置电阻R2的另一端、第一偏置电阻R1的一端与第三旁路电容C8的一端连接，第三旁路电容C8的另一端接地；第一偏置电阻R1的另一端、第四旁路电容C9的一端与5V供电电源的连接，第四旁路电容C9的另一端接地；

稳定电阻R7的另一端与第二隔直电容C5的一端连接，第二隔直电容C5的另一端、匹配电容C4的一端与第三匹配电感L4的一端连接，匹配电容C4的另一端接地，第三匹配电感L4的另一端与信号输出端连接。

Images