通用超低噪声射频电路线性电源设计

2021-06-17李维亮

电子制作 2021年11期

李维亮

（中电科思仪科技股份有限公司，山东青岛，266555）

0 引言

近年来随着射频信号装置在个人通信、无线通信、卫星导航等领域的广泛应用，对射频信号装置的性能指标要求越来越高，而电源设计对装置的性能指标影响至关重要。射频电路电源需要具有输出稳定、噪声低、适用性强等特点，这样才能有效保证射频信号装置输出信号频谱纯度和相位噪声等关键指标，为射频信号装置的稳定运行提供保障。

在现有的电源稳压电路设计中，大多数采用集成电路形式，针对正电稳压或者负电稳压都需要不同的稳压芯片实现，并且稳压电路设计中大多用于集总参数电路供电对射频电路的低噪声供电电源的设计考虑不全面。

本文所提出的通用超低噪声射频电路线性电源设计方法，通用性强，用相同的电路器件既可以组建正电稳压电路又可以组建负电稳压电路，减小器件种类和元器件成本；在电路设计中引入降低噪声的设计电路，降低稳压电路输出噪声；稳压压差小，输入电压和输出电压压差满足PN结导通电压（最小0.2V）即可正常工作并且工作效率高。

1 线性稳压电路原理

现有的线性电源稳压电路设计主要由基准电压电路、误差放大器、调整管和反馈网络组成，如图1所示。

其中基准电压电路可以提供一个稳定的基准电压。常用的电压基准源结构是齐纳二极管或者带隙基准源产生的精密参考电压源。调整管又被称为功率管，主要作用是作为输入到输出的大电流通道，并且具有一定的输入输出电压差和输出电流调节能力。反馈网络一般由电阻网络和补偿电容组成，主要作用是将输出电压变化反馈至误差放大器输入端，即作为反馈电压。误差放大器、调整管和反馈网络组成了一个闭环反馈系统。下文将分别介绍射频电路中使用的正电稳压电路和负电稳压电路。

图1 线性稳压电路原理图

2 正电稳压电路设计

正电稳压电路的电路结构图如图2所示，该电路主要由参考电压源Vc1，供电电压源Vc2、供电电压源Vc3、磁珠Y1、磁珠Y2、磁珠Y3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3和三极管V1组成。

参考电压源Vc1提供高精度的参考电压值；磁珠Y1可以用来作为电源滤波器，降低参考电源的噪声对输出电压的影响；电阻R1的值等于电阻R2与电阻R3的并联值，用于减小运算放大器输入偏置电流对输出的影响；电容C1为积分电容，该电容一方面可以调节三极管的导通上升时间，另一方面可调整整个电路的相位裕度以保证电路的稳定性；电阻R4用于调整三极管基极的电压值；运算放大器N1为低噪声运算放大器，可以降低输出电压的噪声电平，通过同相和反相的虚短虚断保证电路的正常工作；供电电源Vc2为正压电源，供电电源Vc3为负压电源，这两种电源为运算放大器N1供电，通过利用双电源供电也使得该电路通过调整之后可以提供负电稳压电路；电阻R2和电阻R3为比例电阻，通过该电阻可以调整输出电压的设定值；电容C3为滤波电容可以削弱电路中高频成分对输出电路的影响并调节整个射频供电电路的频响特性；三极管V1提供输入输出电流通路，并提高输出电压与输入电压的噪声抑制比，降低输出电压噪声；磁珠Y2对输入电压进行噪声抑制，磁珠Y3对输出电压进行噪声抑制，最终保证输出低噪声稳压电源。

图2 正电稳压电路结构图

正电稳压电路的工作原理如下：

输出负载稳定时：参考电压Vc1产生的精准参考电压输入到运算放大器N1的反相端口，根据虚短可以算得输出电压Vout=Vc1/R2*(R2+R3)，根据积分电路设计产生三极管V1的基极B端的电压值从而使三极管V1工作在放大区，电路正常工作。

输出负载变化时：当Vout的输出电流减小即Vout增大，则器件N1正相端口的反馈电压为R2*Vout/（R2+R3）也随之增加，该正相端口电压与参考电压Vc1进行比较，其差值电压经过积分与比较放大之后使三极管V1的基极B端电压减小，从而减小输出端电流并增大三极管V1的发射极E与集电极C之间的电压，最终使得Vout下降进而维持Vout的稳定状态。同理，当Vout输出电流增大时，也将使得输出电压保持在稳定状态。

3 负电稳压电路设计

负电稳压电路的电路结构图如图3所示，该电路主要由参考电压源Vc1，供电电压源Vc2、供电电压源Vc3、磁珠Y1、磁珠Y2、磁珠Y3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3和三极管V1组成，所采用元器件种类与正电稳压电路完全一样。

图3 负电稳压电路结构图

参考电压源Vc1提供高精度的参考电压值；磁珠Y1可以用来作为电源滤波器，降低参考电源的噪声对输出电压的影响；电阻R1、电阻R2与电阻R3通过运算放大器进行分压产生负电输出电压值；电容C1为积分电容，该电容一方面可以调节三极管的导通上升时间，另一方面可调整整个电路的相位裕度以保证电路的稳定性；电阻R4用于调整三极管基极的电压值；运算放大器N1为低噪声运算放大器，可以降低输出电压的噪声电平，通过同相和反相的虚短虚断保证电路的正常工作；供电电源Vc2为正压电源，供电电源Vc3为负压电源，这两种电源为运算放大器N1供电，利用负电供电特性可以使得积分后在三极管基极产生负电电压进而保证整个电路的正常工作；电容C3为滤波电容可以削弱电路中高频成分对输出电路的影响并调节整个射频供电电路的频响特性；三极管V1提供输入输出电流通路，并提高输出电压与输入电压的噪声抑制比，降低输出电压噪声；磁珠Y2对输入电压进行噪声抑制，磁珠Y3对输出电压进行噪声抑制，最终保证输出低噪声稳压电源。

负电稳压电路的工作原理如下：

输出负载稳定时：参考电压Vc1产生的精准参考电压输入到运算放大器N1的反相端口，根据虚短可以算得输出电压Vout=-Vc1/R2*(R2+R3)，根据积分电路设计产生三极管V1的基极B端的电压值从而使三极管V1工作在放大区，电路正常工作。

输出负载变化时：当Vout的输出电流减小即Vout增大，则器件N1负相端口的反馈电流为Vout/（R2+R3）也随之增加，该负相端口电流的变化差值经过积分与比较放大之后使三极管V1的基极B端电压减小，从而减小输出端电流并增大三极管V1的发射极E与集电极C之间的电压，最终使得Vout下降进而维持Vout的稳定状态。同理，当Vout输出电流增大时，也将使得输出电压保持在稳定状态。

4 试验结果

本文所提出的电源设计方法已经广泛应用于PXIe小型化高纯本振信号产生电路中，通过将PXIe机箱的+3.3V和+12V电压开关电源转换之后，再利用本文的线性电源设计方案，转换成+5V、+3.3V、+1.8V、-5V、-12V等射频电路常用供电电源，最终输出的射频信号相位噪声能够达到-117dBc/Hz@10kHz（10GHz载波），如图4所示，并且信号中没有明显的电源杂散信号。