CN112350673B - 一种星载甚低频前置放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星载甚低频前置放大器，包括依次连接的具有高输入阻抗的前级放大器、第一射极跟随器、两级增益放大器以及第二射极跟随器，前级放大器的输入端与天线连接并进行输入匹配，第一射极跟随器输出低阻抗与两级增益放大器匹配，第二射极跟随器输出低阻抗并进行输出匹配；本发明的优点在于：输入级的输入阻抗足够高，在连接使用时满足大倍频程、高阻抗的要求。

Description

一种星载甚低频前置放大器
技术领域
本发明涉及雷达、通讯、电子对抗系统中星载放大器技术领域，更具体涉及一种星载甚低频前置放大器。
背景技术
放大器是将一定工作频率和带宽的微弱射频小信号进行放大的一种装置。常规的放大器主要包括输入匹配电路，多级放大电路，输出匹配电路等部分，其原理为输入级具备高输入阻抗和低输出阻抗，通常使用输入进来的微弱射频信号在输入级进行阻抗变换，经过多级放大后，再经过阻抗匹配后输出。
现有技术常规的放大器输入级的输入阻抗不够高，在连接使用时也满足不了大倍频程、高灵敏度、高阻抗的要求。《电子器件》2015年8月的第38卷第4期公开了文献《甚低频低噪声放大器的设计与测量》，其主要为解决深水甚低频无线电接收中微弱通信信号难以检测的问题，通过对放大器噪声匹配问题的深入分析，重点讨论了直流工作点的选择、输入阻抗匹配、复合电磁屏蔽结构等关键技术点，大大降低放大器噪声系数。该文献主要采用多个放大器并联的解决方案，既维护小的基极电流又保证较小的输入阻抗。但是该甚低频低噪声放大器应用领域为深水探测，其正常工作必须满足较小的输入阻抗，而星载环境下需要放大器与天线匹配，就必须具有较高的输入阻抗，所以该文献公开的甚低频放大器不能作为星载放大器应用于雷达、通讯、电子对抗系统等领域中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术的放大器输入级的输入阻抗不够高，在连接使用时也满足不了大倍频程、高阻抗的要求。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种星载甚低频前置放大器，包括依次连接的具有高输入阻抗的前级放大器、第一射极跟随器、两级增益放大器以及第二射极跟随器，前级放大器的输入端与天线连接并进行输入匹配，第一射极跟随器输出低阻抗与两级增益放大器匹配，第二射极跟随器输出低阻抗并进行输出匹配。
本发明设置高输入阻抗的前级放大器，使得星载甚低频前置放大器的输入级的输入阻抗足够高，同时通过两级增益放大器提高整个电路的电压增益，第二射极跟随器输出低阻抗并进行输出匹配，在满足电路设计需要的电压增益的情况下，具有较高的输入阻抗，满足大倍频程、高阻抗的要求。
进一步地，所述前级放大器为JFET管和双极型NPN晶体管共同组成的串式共源共基组合放大器。
进一步地，所述天线的等效模型包括电源V1、电阻R1以及电容C1，电源V1的一端通过电阻R1与电容C1的一端连接。
更进一步地，所述前级放大器包括顺序编号的电阻R2至电阻R8、顺序编号的电容C2至电容C4、场效应管J1以及晶体管T1，所述电阻R2的一端与电阻R4的一端以及电阻R3的一端连接，电容C1的另一端与电阻R4的另一端以及场效应管J1的栅极连接，电阻R3的另一端分别与电阻R5的一端以及电阻R6的一端连接并接12V电源，电阻R5的另一端分别与晶体管T1的集电极以及电容C4的一端连接，晶体管T1的发射极与场效应管J1的漏极连接，场效应管J1的源极分别与电容C2的一端以及电阻R7的一端连接，晶体管T1的基极分别与电阻R6的另一端、电阻R8的一端以及电容C3的一端连接，电阻R2的另一端、电容C2的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的另一端以及电容C3的另一端均接地，电容C4的另一端作为前级放大器的输出端VO1。
再进一步地，所述前级放大器的增益为G1＝gmR5，其中，gm为场效应管J1的跨导。
再进一步地，所述第一射极跟随器与所述第二射极跟随器的电路结构相同，所述第一射极跟随器包括顺次编号的电阻R10至电阻R14、晶体管T2、电容C6以及电容C7，电阻R10的一端以及电阻R11的一端均与12V电源连接，电阻R10的另一端分别与前级放大器的输出端VO1、电阻R13的一端以及晶体管T2的基极连接，电阻R11的另一端与晶体管T2的集电极连接，晶体管T2的发射极分别与电容C7的一端以及电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与电阻R14的一端以及电容C6的一端连接，电阻R13的另一端、电阻R14的另一端以及电容C6的另一端均接地，电容C7的另一端作为第一射极跟随器的输出端VO2。
再进一步地，所述两级增益放大器包括顺次编号的电阻R16至电阻R26、顺次编号的电容C9至电容C13、晶体管T3以及晶体管T4，所述电阻R16的一端、电阻R18的一端、电阻R21的一端以及电阻R24的一端均与12V电源连接，电阻R16的另一端分别与第一射极跟随器的输出端VO2、晶体管T3的基极以及电阻R17的一端连接，电阻R18的另一端分别与电阻R19的一端以及晶体管T3的集电极连接，晶体管T3的发射极分别与电阻R19的一端以及电阻R23的一端连接，电阻R19的另一端分别与电阻R20的一端以及电容C10的一端连接，电阻R21的另一端分别与电容C9的另一端、电阻R22的一端以及晶体管T4的基极连接，电阻R24的另一端分别与电容C23的一端以及晶体管T4的集电极连接，晶体管T4的发射极通过电阻R25分别与电阻R26的一端以及电容C12的一端连接，电阻R23的另一端通过电容C11与电容C13的一端连接，电阻R17的另一端、电阻R20的另一端、电容C10的另一端、电阻R22的另一端、电阻R26的另一端以及电容C12的另一端均接地，电容C13的另一端作为两级增益放大器的输出端VO3。
再进一步地，所述两级增益放大器的增益为
Figure BDA0002768682010000041
进一步地，所述第二射极跟随器输出低阻抗为50欧姆。
进一步地，所述前级放大器的输入端至少具有10MΩ的输入阻抗，该输入阻抗与天线匹配。
本发明的优点在于：
(1)本发明设置高输入阻抗的前级放大器，使得星载甚低频前置放大器的输入级的输入阻抗足够高，同时通过两级增益放大器提高整个电路的电压增益，第二射极跟随器输出低阻抗并进行输出匹配，在满足电路设计需要的电压增益的情况下，具有较高的输入阻抗，满足大倍频程、高阻抗的要求。
(2)输入采用沃尔曼结构放大器，由JFET管和双极型NPN晶体管共同组成串式共源共基组合放大器，使第一级在具有增益的的同时也具有与单级JFET共漏极放大电路相近的输入阻抗。利用该级输入阻抗远大于天线电抗的特点，尽可能地获取电小天线获得的感应电压，使电路具有高灵敏度。一共三级放大电路满足了整个电路的总增益要求。
(3)第一级也即前级放大器不仅具有高阻抗，还具有一定的增益。第一级的增益可以减小后级噪声对整个电路的等效输入噪声的影响，对提高有源天线系统的灵敏度有利。所述前级放大器的增益为G1＝gmR5，其中，gm为场效应管J1的跨导。这表明沃尔曼结构的放大器和共源级放大器的性能相同。该结构综合了共漏极电路与共源极电路的特点，将其作为有源天线的第一级能够更好地工作。前级放大器的输出阻抗近似为R5的阻值，因而，在保证放大倍数达到要求的情况下，选取具有较大跨导gm的JFET管可以降低输出阻抗。
(4)整个甚低频前置放大器的增益由两级级联的共射极电路也即两级增益放大器组成，并在极间加入反馈电阻R23增加甚低频前置放大器的带宽。在设计时，可调整元器件的值，使得不加入反馈时的增益略高于目标增益，再调整反馈电阻R23的值，使得电压增益与目标增益一致。使用射极反馈，并加入级间反馈使得增益受温度、器件质量的影响较小，同时整个电路的增益控制精度较高。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种星载甚低频前置放大器的结构框图；
图2为本发明实施例所提供的一种星载甚低频前置放大器中前级放大器的电路原理图；
图3为本发明实施例所提供的一种星载甚低频前置放大器中第一射极跟随器的电路原理图；
图4为本发明实施例所提供的一种星载甚低频前置放大器中两级增益放大器的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种星载甚低频前置放大器，包括依次连接的具有高输入阻抗的前级放大器1、第一射极跟随器2、两级增益放大器3以及第二射极跟随器4，前级放大器1的输入端与天线连接并进行输入匹配，第一射极跟随器2输出低阻抗与两级增益放大器3匹配，第二射极跟随器4输出低阻抗并进行输出匹配。从图1原理框图可知，本发明的前置放大器由三级放大器和两级射极跟随器组成。第一级是前级放大器1，其利用该级输入阻抗远大于天线电抗的特点，尽可能地获取电小天线获得的感应电压。第二级为第一射极跟随器2，其主要作用是降低第一级的输出阻抗，使后级放大电路正常工作。第三级和第四级为放大电路即两级增益放大器3，提供设计要求的增益。第五级同样为射极跟随器即上述第二射极跟随器4，其作用是使输出端输出阻抗极低，以便与50欧阻抗进行匹配。需要说明的是，其中高输入阻抗的前级放大器1除了实施例提供的实现方式以外，还有多种实现方案，如共源共基组合放大器，共射共基组合放大器，共源共栅组合放大器等。
在设计电路之前，对天线的等效电容进行仿真与实测，得到该天线的等效电容为十几pF，如图2所示，所述天线的等效模型包括电源V1、电阻R1以及电容C1，电源V1的一端通过电阻R1与电容C1的一端连接。根据天线的等效电容可确定高阻放大器也即前级放大器1的输入阻抗应不低于10MΩ，但实际中没有特别的限定，根据天线不同，前级放大器1的输入阻抗的范围有所调整。
如图2所示为前级放大器1的电路原理图，所述前级放大器1为JFET管和双极型NPN晶体管共同组成的串式共源共基组合放大器。所述前级放大器1包括顺序编号的电阻R2至电阻R8、顺序编号的电容C2至电容C4、场效应管J1以及晶体管T1，所述电阻R2的一端与电阻R4的一端以及电阻R3的一端连接，电容C1的另一端与电阻R4的另一端以及场效应管J1的栅极连接，电阻R3的另一端分别与电阻R5的一端以及电阻R6的一端连接并接12V电源，电阻R5的另一端分别与晶体管T1的集电极以及电容C4的一端连接，晶体管T1的发射极与场效应管J1的漏极连接，场效应管J1的源极分别与电容C2的一端以及电阻R7的一端连接，晶体管T1的基极分别与电阻R6的另一端、电阻R8的一端以及电容C3的一端连接，电阻R2的另一端、电容C2的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的另一端以及电容C3的另一端均接地，电容C4的另一端作为前级放大器1的输出端VO1。
继续参阅图2，前级放大器1的输入阻抗实部取决于电阻R4的阻值，而其虚部取决于场效应管J1的等效输入电容，为了降低其虚部等效电容，使用了NPN管与JFET组合的渥尔曼电路结构。采用该结构可以很好地消除密勒效应引起的等效输入电容，使得前级放大器1的等效输入电容仅相当于共漏极结构的等效输入电容，从而提高输入级的阻抗。第一级也即前级放大器1不仅具有高阻抗，还具有一定的增益。第一级的增益可以减小后级噪声对整个电路的等效输入噪声的影响，对提高有源天线系统的灵敏度有利。所述前级放大器1的增益为G1＝gmR5，其中，gm为场效应管J1的跨导。这表明沃尔曼结构的放大器和共源级放大器的性能相同。该结构综合了共漏极电路与共源极电路的特点，将其作为有源天线的第一级能够更好地工作。前级放大器1的输出阻抗近似为R5的阻值，因而，在保证放大倍数达到要求的情况下，选取具有较大跨导gm的JFET管可以降低输出阻抗。
前级放大器1的输出阻抗依然较高，使用第一射极跟随器2降低第一级也即前级放大器1的输出阻抗，使后级晶体管放大电路工作正常，所述第一射极跟随器2与所述第二射极跟随器4的电路结构相同，以下以第一射极跟随器2为例介绍电路原理图，在实际应用中，可能会出现负载加重的现象，在这里加入射极跟随器可实现对输出进行强化的功能，达到降低输出阻抗的目的。对于射极跟随器而言，从交流信号的角度看，负载是和发射极电阻并联在一起，也就是说，负载的改变和发射极电阻的改变是等效的。而发射极电位和基极电位相关而与其发射极电阻无关，故即使改变负载的电阻值，其输出也仅和输入相关，即可认为射极跟随器输出阻抗降低，从而达到设计目的。如图3所示，所述第一射极跟随器2包括顺次编号的电阻R10至电阻R14、晶体管T2、电容C6以及电容C7，电阻R10的一端以及电阻R11的一端均与12V电源连接，电阻R10的另一端分别与前级放大器1的输出端VO1、电阻R13的一端以及晶体管T2的基极连接，电阻R11的另一端与晶体管T2的集电极连接，晶体管T2的发射极分别与电容C7的一端以及电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与电阻R14的一端以及电容C6的一端连接，电阻R13的另一端、电阻R14的另一端以及电容C6的另一端均接地，电容C7的另一端作为第一射极跟随器2的输出端VO2。
如图4所示，所述两级增益放大器3包括顺次编号的电阻R16至电阻R26、顺次编号的电容C9至电容C13、晶体管T3以及晶体管T4，所述电阻R16的一端、电阻R18的一端、电阻R21的一端以及电阻R24的一端均与12V电源连接，电阻R16的另一端分别与第一射极跟随器2的输出端VO2、晶体管T3的基极以及电阻R17的一端连接，电阻R18的另一端分别与电阻R19的一端以及晶体管T3的集电极连接，晶体管T3的发射极分别与电阻R19的一端以及电阻R23的一端连接，电阻R19的另一端分别与电阻R20的一端以及电容C10的一端连接，电阻R21的另一端分别与电容C9的另一端、电阻R22的一端以及晶体管T4的基极连接，电阻R24的另一端分别与电容C23的一端以及晶体管T4的集电极连接，晶体管T4的发射极通过电阻R25分别与电阻R26的一端以及电容C12的一端连接，电阻R23的另一端通过电容C11与电容C13的一端连接，电阻R17的另一端、电阻R20的另一端、电容C10的另一端、电阻R22的另一端、电阻R26的另一端以及电容C12的另一端均接地，电容C13的另一端作为两级增益放大器3的输出端VO3。
继续参阅图4，整个甚低频前置放大器的增益由两级级联的共射极电路也即两级增益放大器3组成，并在极间加入反馈电阻R23增加甚低频前置放大器的带宽。用于搭建共射极放大电路的晶体管放大倍数一般在100以上，因此，在未加入反馈时，两级放大电路的电压增益近似由集电极电阻与射极电阻的比值决定：
Figure BDA0002768682010000101
在设计时，可调整元器件的值，使得不加入反馈时的增益略高于目标增益，再调整反馈电阻R23的值，使得电压增益与目标增益一致。使用射极反馈，并加入级间反馈使得增益受温度、器件质量的影响较小，同时整个电路的增益控制精度较高。
星载产品因为其使用环境，所以有抗辐射效应的要求。甚低频前置放大器为满足总剂量辐射设计余量的要求，可以通过计算外壳和印制板厚度，使其厚度满足抗电离总剂量辐射设计的要求。另外，本发明提供的甚低频前置放大器对于器件的选择上完全满足抗辐照要求。
本发明设计的甚低频前置放大器中没有逻辑电路、SRAM器件等，因此，不会发生单粒子翻转效应和单粒子锁定效应。
当出现大的辐射环境扰动事件的时候，大量的高能电子使地球辐射带中能量大于1Mev的电子的通量大幅度增加。如果高通量的电子长时间地持续存在，这些电子将可直接穿透环绕器蒙皮、环绕器结构以及电子设备箱体，嵌入环绕器内部的电路板、导线绝缘层等深层绝缘介质中，导致绝缘介质深层处的电荷堆积，造成介质深层带电，也就是所谓的内带电效应。
当高能电子连续不断的入射，嵌入绝缘材料中并快速地堆积电荷，一旦电荷累积速率超过绝缘材料的自然放电率，便可造成绝缘材料击穿，引起深层静电放电，直接对电子系统造成破坏。
甚低频前置放大器内带电效应防护设计措施是良好接地。印制板中设计大面积的地层有利于印制板绝缘体中累积的电荷泄放。
根据甚低频前置放大器所处的辐射环境、元器件的选用、电路设计以及结构壳体设计分析，放大器在设计上能够满足在轨环境辐照总剂量的要求。
通过以上技术方案，本发明提供的星载甚低频前置放大器的使用环境是在星载的环境下，放大器的输入直接连接天线，相当于串接一个p量级的电容，具体到本发明实施例使用的情况，电容是十几pF,这是一个非常高的阻抗输入，同时工作带宽为10kHz～10MHz，达到1000倍频程，还要具有高灵敏度。常规的放大器输入级的输入阻抗不够高，在连接使用时也满足不了大倍频程、高灵敏度、高阻抗的要求，所以本发明设计的一种星载甚低频前置放大器，在星载的使用条件下不仅满足放大器增益要求，还达到大倍频程、高灵敏度、高阻抗的要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种星载甚低频前置放大器，其特征在于，包括依次连接的具有高输入阻抗的前级放大器、第一射极跟随器、两级增益放大器以及第二射极跟随器，前级放大器的输入端与天线连接并进行输入匹配，第一射极跟随器输出低阻抗与两级增益放大器匹配，第二射极跟随器输出低阻抗并进行输出匹配；所述前级放大器为JFET管和双极型NPN晶体管共同组成的串式共源共基组合放大器；所述第一射极跟随器与所述第二射极跟随器的电路结构相同，所述第一射极跟随器包括顺次编号的电阻R10至电阻R14、晶体管T2、电容C6以及电容C7，电阻R10的一端以及电阻R11的一端均与12V电源连接，电阻R10的另一端分别与前级放大器的输出端VO1、电阻R13的一端以及晶体管T2的基极连接，电阻R11的另一端与晶体管T2的集电极连接，晶体管T2的发射极分别与电容C7的一端以及电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与电阻R14的一端以及电容C6的一端连接，电阻R13的另一端、电阻R14的另一端以及电容C6的另一端均接地，电容C7的另一端作为第一射极跟随器的输出端VO2。
2.根据权利要求1所述的一种星载甚低频前置放大器，其特征在于，所述天线的等效模型包括电源V1、电阻R1以及电容C1，电源V1的一端通过电阻R1与电容C1的一端连接。
3.根据权利要求1所述的一种星载甚低频前置放大器，其特征在于，所述前级放大器包括顺序编号的电阻R2至电阻R8、顺序编号的电容C2至电容C4、场效应管J1以及晶体管T1，所述电阻R2的一端与电阻R4的一端以及电阻R3的一端连接，电容C1的另一端与电阻R4的另一端以及场效应管J1的栅极连接，电阻R3的另一端分别与电阻R5的一端以及电阻R6的一端连接并接12V电源，电阻R5的另一端分别与晶体管T1的集电极以及电容C4的一端连接，晶体管T1的发射极与场效应管J1的漏极连接，场效应管J1的源极分别与电容C2的一端以及电阻R7的一端连接，晶体管T1的基极分别与电阻R6的另一端、电阻R8的一端以及电容C3的一端连接，电阻R2的另一端、电容C2的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的另一端以及电容C3的另一端均接地，电容C4的另一端作为前级放大器的输出端VO1。
4.根据权利要求3所述的一种星载甚低频前置放大器，其特征在于，所述前级放大器的增益为
Figure QLYQS_1
，其中，/>
Figure QLYQS_2
为场效应管J1的跨导。
5.根据权利要求1所述的一种星载甚低频前置放大器，其特征在于，所述两级增益放大器包括顺次编号的电阻R16至电阻R26、顺次编号的电容C9至电容C13、晶体管T3以及晶体管T4，所述电阻R16的一端、电阻R18的一端、电阻R21的一端以及电阻R24的一端均与12V电源连接，电阻R16的另一端分别与第一射极跟随器的输出端VO2、晶体管T3的基极以及电阻R17的一端连接，电阻R18的另一端分别与电阻R19的一端以及晶体管T3的集电极连接，晶体管T3的发射极分别与电阻R19的一端以及电阻R23的一端连接，电阻R19的另一端分别与电阻R20的一端以及电容C10的一端连接，电阻R21的另一端分别与电容C9的另一端、电阻R22的一端以及晶体管T4的基极连接，电阻R24的另一端分别与电容C23的一端以及晶体管T4的集电极连接，晶体管T4的发射极通过电阻R25分别与电阻R26的一端以及电容C12的一端连接，电阻R23的另一端通过电容C11与电容C13的一端连接，电阻R17的另一端、电阻R20的另一端、电容C10的另一端、电阻R22的另一端、电阻R26的另一端以及电容C12的另一端均接地，电容C13的另一端作为两级增益放大器的输出端VO3。
6.根据权利要求5所述的一种星载甚低频前置放大器，其特征在于，所述两级增益放大器的增益为
Figure QLYQS_3
。
7.根据权利要求1所述的一种星载甚低频前置放大器，其特征在于，所述第二射极跟随器输出低阻抗为50欧姆。
8.根据权利要求1所述的一种星载甚低频前置放大器，其特征在于，所述前级放大器的输入端至少具有10MΩ的输入阻抗，该输入阻抗与天线匹配。
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