【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ign of a low noise ， preamplifier.． Design of the main amplifier circuit constituted in part by the two first being the use of FET differential amplifier posed of the input signal processing,including filtering noise，amplified signal， taking into account the protection of the circuit elements． The second level is formed by the three integrated chip instrumentation amplifier. Amplified by two，and ultimately weak signal amplification． In a detailed analysis of the circuit design based on the final design of a low noise preamplifier.． 1MHz bandwidth of the amplifier within the scope of the 1000 times of the weak signal amplification,while noise suppression of the design requirements． [Keywords] Differential amplifier； low noise ； operational amplifier 前言 第 1 頁(yè) 共 19 頁(yè) 低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì) 1 前言 課題意義 低噪聲前置放大器是信號(hào)檢測(cè)，接收系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部分，常用于接受系統(tǒng)的前端。在放大有用信號(hào)的同時(shí)抑制噪聲，提高系統(tǒng)靈敏度。 如果在接受系統(tǒng)的前端連接低噪聲前置放大器，在放大器的增益滿足系統(tǒng)的要求的情況下，那么整個(gè)接 ［１］ 受系統(tǒng)的噪聲取決于放大器的噪聲。如果放大器的噪聲系數(shù)降低，接 受機(jī)的噪聲系數(shù)也會(huì)減小，信噪比得到改善，系統(tǒng)的靈敏度得到提高。由此可見(jiàn)低噪聲的前置放大器的性能制約著整個(gè)系統(tǒng)的性能，對(duì)于整個(gè)接受系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，也起到?jīng)Q定性的作用。 據(jù) Friis 公式可知，系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)或者損耗，所以前置放大器的噪聲系數(shù) ［２］ 對(duì)系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)影響最大。故要求前置放大器必須具有噪聲小、增益穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)不斷發(fā)展，在設(shè)計(jì)前置放大器電路的時(shí)候，選用低噪聲的器件和芯片成為一種重要的趨勢(shì)。 低噪聲前置放大器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 低噪聲寬頻帶噪 聲放大器隨著現(xiàn)在通訊頻帶總體上移，射頻放大器將會(huì)是模擬的主流。由系統(tǒng)天線饋入的無(wú)線信號(hào)，在處理之前必須進(jìn)行放大。低噪聲放大器就是其中非常重要的部件。隨著光刻技術(shù)和器件工藝 [３ ]水平的不斷提高，近十年來(lái)，硅工藝晶體管的工作頻率已經(jīng)能夠達(dá)到數(shù)十 GHz以上。 另外，隨著工藝水平的大幅提升， RF低噪聲放大器在采用雙極晶體管制作的基礎(chǔ)上，還衍生了一種新形式，即用 MOSFET制作 低 噪聲放大器。以美國(guó) Sirenza微波器件公司的產(chǎn)品為例。其 LNA產(chǎn)品包含 10余個(gè)產(chǎn)品系列，各個(gè)產(chǎn)品 [４ ]系列采用不同的半導(dǎo)體工藝制作 (SiGe、 InGaP、 GaAs、 pHEMT等工藝 )和不同的晶體管形式 (BJT、 HBT或 FET)，但產(chǎn)品水平大致相當(dāng)。而 LSI公司日前推出 PA8800 前置放大器采用 LSI第二代硅鍺 (SiGe)工藝制造成，不僅提 供，而且其功耗比面向同一市場(chǎng)領(lǐng)域的前代產(chǎn)品降低了近30%。 放大器的噪聲系數(shù)還與晶體管的工作狀態(tài)以及信源內(nèi)阻有關(guān)。在工作頻率和信低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 19 頁(yè) 源內(nèi)阻均給定的情況下，噪聲系數(shù)也和晶體管直流工作點(diǎn)有關(guān)。為了兼顧低噪聲和高增益的要求，常采用共發(fā)射極一共基極級(jí)聯(lián)的低噪聲放大電路。 前置放大器作為接受 設(shè)備中重要的一環(huán)正朝高速度，甚低噪聲，高靈敏度，寬頻帶方向發(fā)展。在比如東芝設(shè)計(jì)的一款低噪聲放大器，采用共源 — 共柵結(jié)構(gòu)。這種放大器的品質(zhì)因素是 31025W/Hz， 這比其他公司報(bào)道的放大器噪聲差不多小了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。美國(guó)宇航局的航天飛機(jī)上的通信接收機(jī)使用的是 S波段低噪聲放大器，它的噪聲系數(shù)低達(dá) （包括開(kāi)關(guān)與雙工）。還有很多很多這樣的例子，這里就不再一一列舉。此外在低噪聲前置放大器設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用低噪聲的器件和芯片也成為一種趨勢(shì)。隨著集成電路技術(shù)設(shè)計(jì) ［５］ 的完善和器件制作工藝的不斷革新，將會(huì)有越來(lái)越多的 性能優(yōu)越的前置放大器出現(xiàn)。低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 19 頁(yè) 2 低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì) 差分電路，場(chǎng)效應(yīng)管 差分電路 差模輸入的一般概念：差模信號(hào) idV = 21 ii VV? 共模信號(hào) )( 21 iiic VVV ?? 差模電壓增益 是差模電壓）0101 (/ VVVA idVD ? 共模電壓增益 是共模電壓）0202 (/ VVVA icVC ? 總輸出電壓 icVCidVD VAVAVVV ???? 02020 根據(jù)差模信號(hào)，共模信號(hào)的表達(dá)式1 2ici id vVv??又有 共模抑制比，反應(yīng)抑制零漂能力的指標(biāo)，其定義為放大電路對(duì)差模信號(hào)的電壓增益與對(duì)共模信號(hào)的電壓之比的絕對(duì)值 如圖所示圖 1 為差分放大電路雙端輸入，雙端輸出交流簡(jiǎn)圖 ［６ ］ 。 當(dāng)集電極兩端空載時(shí) 差模電壓增益 1OVD id beV RA Vr?? ? ? (1) 共模電壓增益 0vcA ? (2) 共模抑制比 VDCMRVCAK A? (3) 當(dāng)集電極兩端接入負(fù)載電阻 R2 時(shí) 差模電壓增益 2vd beRA r??? (4) 共模電壓增益 0vcA ? (5) VDCMRVCAK A?低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 19 頁(yè) 共模抑制比 0CMRK ? (6) 單端輸入情況基本一樣，僅是差模電壓增益是雙端輸入的一半在電路完全對(duì)稱，雙端輸入，雙端輸出 ［７］ 的情況下，圖 1 所示的電路與單邊電路的電壓增益相等。所以該電路是用雙倍的期間換取抑制共模信號(hào)的能力。 如圖 2 所示為雙端輸入，單端輸出交流簡(jiǎn)圖。 共模電壓 增益 1 2 (( 1 ) 2vc be RA R Or R O? ??? ?? 為 實(shí) 際 電 流 源 動(dòng) 態(tài) 輸 出 電 阻 ) (7) 共模抑制比 VDCM R VC beA ROK Ar??? (8) R1R2R3Q1V i = + v i d / 2Q2V i 2 = v i d / 2 ROR2R3ROQ1V i 1 = v icQ3V i 2 = v ic 圖 1 差分電路 圖 2 差分電路單端輸出 場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)的電壓控制電流器件。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，場(chǎng)效應(yīng)管可以分為兩大類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 (JFET)和金屬 氧化物 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)。每一類又可以分為 N 溝道和 P 溝道兩種類型，每一種類型又可以分成增強(qiáng)型和耗盡型。 N 溝道 JFET 工作時(shí)，在柵極 (g)與源極 (s)間需加一負(fù)電壓，使柵極，溝道間的PN 結(jié)反偏，柵極電流幾乎為零，場(chǎng)效應(yīng) [8]管呈現(xiàn)高達(dá) 710 ? 以上的輸入電阻。在漏極與源極加一正電壓 ( DS? 0)，是 N 溝道中的多數(shù)載流子 (電子 )在電場(chǎng)作用下由源極向漏極運(yùn)動(dòng)，形成電流 Di ， Di 大小受 GSv 控制。圖 3 所示為 N 溝道的 JFET。圖 4 為小信號(hào)的 FET 模型 低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 19 頁(yè) g ds(c ) 圖 3 場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào) 現(xiàn)在我們用 FET的小信號(hào)模型來(lái)分析圖 5所示的共源極放大電路。其中由于 dsr 通常在幾百千歐的數(shù)量級(jí)，一般負(fù)載電阻比 dsr 小很多，所以近似認(rèn)為 dsr 開(kāi)路 ［９］ 。 電壓增益 413omV imv g RA v g R? ? ? ? (9) 輸入電阻 1 2 5iR R R R?? (10) 輸出電阻 4ORR? (11) ○ ○ .gsV○ ○ .dsV gsC gdC .gsmgVdsr dsC圖 4 FET的小信號(hào)模型 低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 19 頁(yè) R1R2 R3R4R5C1C2Q 1 : AVDDVo 圖 5 共源極放大電路 第一級(jí)放大電路的設(shè)計(jì) 通過(guò)前面的簡(jiǎn)介，我們對(duì)基本電路元件和電路構(gòu)成有了基本了解。而本次的低噪聲前置放大器將有兩級(jí)電路構(gòu)成，其中第一級(jí)就是差分放大電路。 限幅電路 信號(hào)從電路的輸入端輸入，先通過(guò)一個(gè)聚丙烯電容。聚丙烯電容用于將從信號(hào)源中流出的直流信號(hào)和交流信號(hào)隔離開(kāi)，既保證了后面的電路不 被直流大信號(hào)燒壞，同時(shí)也防止直流信號(hào)影響后面電路的靜態(tài)工作點(diǎn) ［１０］ 。而 4 個(gè)二極管連接成保護(hù)電路，防止大信號(hào)進(jìn)入后面的電路從而燒毀電路。但如果加大信號(hào)的話，則二極管導(dǎo)通，相當(dāng)于在電路上串聯(lián)一個(gè)很小的電阻，使得電流直接從二極管流到地，大信號(hào)無(wú)法進(jìn)入后繼電路，從而保護(hù)芯片，以防止芯片燒毀。所以輸入電壓應(yīng)控制在177。 之內(nèi)。 D1D2D3D4C1 圖 6 限幅電路 低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 19 頁(yè) 差分電路 經(jīng)過(guò)前面的電路濾除直流信號(hào)，限制了輸入信號(hào)的幅度以后，最后的待放大信號(hào)進(jìn)入差分電路。差分電路可以抑制零點(diǎn)漂移和 共模信號(hào)，放大信號(hào)。差分放大電路由兩個(gè)特性相同的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 ［１１］ 構(gòu)成對(duì)稱電路，電路的參數(shù)也對(duì)稱，即 R2， R4 都為 32 ? 。兩管的源極連接在一起，然后再接一個(gè)恒流源。電路采用場(chǎng)效應(yīng)管MGF1402B 組成。由于場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間處于絕緣或者反向偏置，所以輸入電阻很高。又由于場(chǎng)效應(yīng)管是一種多數(shù)載流子控制器件，因此熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，噪聲系數(shù)小，制造工藝簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模集成，因此得