一種LNA偏壓電源的設(shè)計(jì)改進(jìn)

尹富強(qiáng)

（北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 102209）

1 低噪聲放大器電路

低噪聲放大器（LNA）是接收機(jī)前端十分重要的電路。圖1是實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)LNA電路。該電路具有輸入電壓范圍寬、輸出電流大以及功耗小等優(yōu)點(diǎn)。

LNA的核心器件是砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管。砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Gallium Arsenide Field-Effect Transistor，GaAs FET）是專門用在高頻、超高頻以及微波無線電頻放大器電路中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）[1]。

圖1 LNA電路

在微弱信號(hào)無線通信和廣播接收中，GaAs FET比大多數(shù)其他類型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能要好。它包含一個(gè)推挽結(jié)構(gòu)，最大輸出功率35 W，具備在甲類和甲乙類方式工作的能力，帶寬也符合要求。

圖2 LNA平坦度對(duì)比圖

2 故障現(xiàn)象

工作時(shí)發(fā)現(xiàn)，其中幾臺(tái)設(shè)備在工作中出現(xiàn)了信號(hào)輸出不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)多次出現(xiàn)故障。從圖2可以看出，LNA的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，放大倍數(shù)在變化。引起這樣狀態(tài)的原因有3種：（1）GaAs FET管子本身有問題；（2）周圍元器件不合格；（3）供電電路有干擾引入。

更換GaAs FET和周圍元件后，發(fā)現(xiàn)不能改善平坦度曲線變化。在調(diào)節(jié)LNA增益時(shí)還發(fā)現(xiàn)，改變柵源極電壓uGS會(huì)影響平坦度曲線毛刺：

當(dāng)uGS＞-1.8 V時(shí)，uDS迅速減小，從現(xiàn)象判斷，場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入可變電阻區(qū)。

3 靜態(tài)工作點(diǎn)的變化

LNA故障原因是場(chǎng)效應(yīng)管的放大倍數(shù)發(fā)生變化。GaAs FET和其他場(chǎng)效應(yīng)管一樣，是一種電壓控制元件，改變uGS可以控制iD大小。對(duì)于使用的這種GaAs FET，它的特性曲線如圖3所示。

圖3 GaAs FET特性曲線

從故障現(xiàn)象可以判斷，平坦度曲線之所以產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象，原因是LNA的放大倍數(shù)發(fā)生了變化，導(dǎo)致放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q產(chǎn)生了變化。

與晶體管放大電路一樣，正常的場(chǎng)效應(yīng)管放大電路必須要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。為保證場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，首先要滿足：

根據(jù)GaAs FET特性曲線和電路參數(shù)，場(chǎng)效應(yīng)管的電流方程為：

根據(jù)手冊(cè)得知，場(chǎng)效應(yīng)管漏極電流IDSS=16 A。

在uGS=-2 V時(shí)，由式（2）求得iD≈5.76 A。它的動(dòng)態(tài)特性分析為：

查GaAS FET參數(shù)得知，跨導(dǎo)gm=6 000 mS。

測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，偏壓電源的紋波在20 mV左右。雖然紋波不大，但是如果在uGS=-2 V時(shí)，ΔuGS=20 mV，根據(jù)式（2）計(jì)算得知，iD會(huì)有0.2 A左右的變化。因此，場(chǎng)效應(yīng)管的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生了明顯偏移，如圖4所示。

圖4 變化的靜態(tài)工作點(diǎn)

由圖4可見，柵源極電壓uGS發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)引起靜態(tài)工作點(diǎn)的變化，影響整個(gè)電路的參數(shù)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。

4 偏壓電路的改進(jìn)

設(shè)備上的-5 V電路設(shè)計(jì)是以LTC3863為核心的電壓轉(zhuǎn)換電路[2]，電路如圖5所示。

圖5 基于LTC3863的-5 V電壓轉(zhuǎn)換電路

該電路電壓范圍寬、輸出電流大，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，決定對(duì)偏壓電路進(jìn)行改進(jìn)。

經(jīng)過資料查詢對(duì)比，常用的負(fù)電壓轉(zhuǎn)換電路芯片有LTC1261、TCM850等。最終決定采用MAX660電壓轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行偏壓電路設(shè)計(jì)，因?yàn)镸AX660電路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、器件少且便于維護(hù)。

雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是紋波大。輸出電壓的紋波與負(fù)載電流、振蕩頻率和電容有關(guān)。紋波電壓Vripple符合：

其中，Vripple為紋波電壓，Iout為輸出電流，ESRC2為C2的等效電阻。

為了降低紋波，需選用容值大、等效電阻小的電容或者采用多個(gè)電容并聯(lián)的方式。如圖6所示，將引腳1接入+5 V，提高M(jìn)AX660的泵浦頻率，選用等效電阻小于100 mΩ的OS-CON電容多個(gè)進(jìn)行并聯(lián)，降低等效電阻，保證紋波控制在5 mV以內(nèi)。改進(jìn)后的-5 V偏壓電路在LNA電路中使用正常，表現(xiàn)良好。

5 結(jié) 論

偏壓電源電路對(duì)LNA來說十分重要。本文中的偏壓電路從電源紋波入手，減少了電源紋波，確保有一個(gè)穩(wěn)定的直流輸出。

圖6 改進(jìn)后的MAX660的-5 V電壓轉(zhuǎn)換電路