Конструирование сверхмалошумящего усилителя S диапазона

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2013

Korkut Yegin, Турция

EDN

Многим инженерам разработка малошумящего ВЧ усилителя со стабильным усилением кажется сложной, и даже пугающей задачей. Однако с развитием в последние годы технологии GaAs (арсенид галлиевых) полевых транзисторов с гетеропереходом (HFET) появилась возможность создания простых устойчивых усилителей с коэффициентом шума менее 1 дБ [1]. Ниже описана схема малошумящего усилителя с коэффициентом шума 0.77 дБ.

Изготовители малошумящих усилителей в спецификациях на свои изделия обычно указывают характеристики согласования входов и выходов, коэффициент усиления, пределы стабильности, точку децибельной компрессии (P1dB), уровень интермодуляционных составляющих второго и третьего порядка, ослабление внеполосных составляющих и развязку между входом и выходом. Многие из этих параметров взаимосвязаны, вследствие чего создание реальной схемы, все характеристики которой одновременно соответствуют тем, которые заявлены изготовителем транзистора, может оказаться трудновыполнимой задачей [2], [3]. Тем не менее, сделать такую схему удалось (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Малошумящий ВЧ усилитель S диапазона можно сделать на GaAs полевом транзисторе с гетеропереходом.

Схема, в которой использован малошумящий GaAs HFET NE3509M04 компании NEC, разрабатывалась и моделировалась с помощью Microwave Office AWR. Усилитель с согласованным 50-омным входом имеет низкий коэффициент шума, большое усиление и малый КСВН. Самым распространенным приемом разработчиков, позволяющим минимизировать изменения тока стока МОП транзистора, обусловленные, прежде всего, влиянием температуры, является использование схем активного смещения рабочей точки и бутстрепного питания. Однако в рассматриваемой конструкции реализовано автоматическое смещение, не усложняющее схемы и не увеличивающее ее цены. Транзистор работает при напряжении сток-исток равном 2 В и токе стока 15 мА, при которых обеспечивается достаточное усиление на высоких частотах, равное примерно 16.5 дБ.

Одной из важных целей разработки является обеспечение безусловной стабильности малошумящего усилителя. Основными причинами неустойчивости схем такого типа являются паразитные внутренние обратные связи транзистора и чрезмерное усиление на внеполосных частотах. При анализе устойчивости использовались S-параметры, предоставляемые изготовителем. Ветвь L1, R1 и C2, предназначенная для коррекции характеристик и шумового согласования транзистора, рассчитана на диапазон от постоянного тока до видеочастот, и для сигналов S-диапазона, фактически, представляет собой обрыв. C5, C8, C9 и L3 служат, в первую очередь, для согласования выходного импеданса и повышения стабильности усилителя. Конденсатор C6 закорачивает часть стоковой нагрузки транзистора, не влияя на максимальное устойчивое усиление. Резистор R3 в цепи стока является еще одним элементом обеспечения устойчивости. Шунтирующий конденсатор C5 закорачивает на землю высокочастотные составляющие и гармоники входного сигнала.

Рисунок 2.	Полосовой фильтр между двумя усилителями ослабляет внеполосные составляющие.

На Рисунке 2 показан двухкаскадный усилитель с полосовым фильтром между каскадами. Схема была собрана на стандартной 4-слойной печатной плате с диэлектриком FR4 толщиной 1.6 мм. В отличие от дешевых конструкций на двухсторонних платах, 4-слойная позволяет использовать дополнительные слои для трассировки шин питания и изоляции пассивной антенны от каскадов усилителя, чтобы исключить вероятность образования паразитных обратных связей, которые могут стать потенциальным источником возбуждения схемы. В результате получилась схема, имеющая при комнатной температуре коэффициент шума 0.77 дБ, усиление 28.5 дБ, точку децибельной компрессии −16 дБм и точку пересечения интермодуляции третьего порядка IP3 = −5.8 дБм. Коэффициент стоячей волны напряжения на выходе схемы равен 1.3. Параметр IP3 можно улучшить, если ценой ухудшения шумовых характеристик увеличить ток стока.

Рисунок 3.	Измеренная АЧХ усилителя имеет центральную частоту 2.332 ГГц.

Результаты измерений коэффициента усиления относительно центральной частоты 2.332 ГГц при уровнях входной и выходной мощности −40 дБм и −11.5 дБм, соответственно, приведены на Рисунке 3. Составляющие сигнала, лежащие вне полосы пропускания, схема подавляет с помощью расположенного между каскадами полосового фильтра.

Ссылки

1. Chen, Seng-Woon, «Linearity requirements for digital wireless communications», Technical Digest of the IEEE 19th Annual Gallium Arsenide Integrated Circuit Symposium, Oct 15 to 17, 1997, pg 29.
2. Lee, Thomas H, Planar Microwave Engineering: A Practical Guide to Theory, Measurement, and Circuits, University of Cambridge, 2004, ISBN: 0-521-83526-7.
3. «NE3509M04 hetero junction field effect transistor», California Eastern Laboratories.