CLC425芯片在低噪声宽带放大器设计中的运用

摘要：从无线接收机宽带放大器模块对射频小信号进行低噪声放大的实际性能需求出发，在设计上选用了一种新型的宽带运放芯片CLC425，充分利用了该器件的超低噪声和高增益带宽的特点，在充分掌握该器件原理特性的基础上，采用两级放大器级联的方式，发挥芯片低噪声的优势，在保证放大增益的同时尽量减少附加噪声的引入，并在主体放大电路的基础上设计完善了具体的外围配置电路、供电电路和滤波电路等。电路整体实现比较简单，放大效果满足运用需求。
关键词：接收机；放大器；CLC425；低噪声；宽带

    射频低噪声宽带放大器是广泛应用于短波、中波、长波天线和全波接收机设计中的一个重要组成部分。随着近年来无线通信电子技术迅速发展，现代通信系统要求通信距离越来越远，接收灵敏度越来越高，接收带宽也越来越宽。因而对无线通信系统中前端射频放大电路的性能要求也就日益变高。理想的放大电路只增加期望信号的幅度，而不增加任何噪声和失真。然而，已知放大电路都会在期望的信号中增加
噪声和失真，并且高性能的放大电路也追求更高的带宽范围。对低噪声宽带放大器的基本要求是：噪声性能好、增益足够大、工作稳定性好、足够的带宽和大的动态范围。本文给出了一种可应用于无线接收机的宽带放大器模块的设计方案以及具体的硬件实现。

1 宽带运算放大器CLC425特点简介
    CLC425是美国国家半导体公司推出的一种超低噪声宽带运算放大器，是一种应用领域极广，具有广阔动态范围的运算放大器，其主要性能与特点如下：
    1)增益带宽很高，达1．9GBW；
    2)噪声极低，输入电压噪声低至，输入电流噪声典型值为，在Rs=700 Ω时，噪声系数NF=0．9dB；
    3)输入偏移电压为100μV，1 mV温度漂移为2 μV／℃；
    4)开环增益为96 dB时，共模抑制比CMRR为100 dB，压摆率为350 V／μV，电源抑制比PSRR为95dB；
    5)供电电流为5～10mA。

2 射频低噪声宽带放大器的设计
2．1 主体放大电路设计
    低噪声宽带放大器由两级运算放大电路、电源电路和滤波电路构成。滤波电路使用无源滤波器，由电容和电感组成。使用两级运算放大电路是为把足够大的增益分至两级上，这样既可以保证信号的稳定又可以满足增益需求。为滤除部分带外噪声，在第一级后加滤波器，避免其随着输入信号在第二级放大电路中放大，降低信噪比。以CLC425芯片为基础的两级放大电路如图1所示。

    在第一级放大电路中，首先由2个电阻R1、R2组成偏置电路，为运算放大器提供偏置电压，在输入端接1个适当容值的电容C1用以隔断前路的直流分量和衰减带外信号，在偏置电阻上端以及CLC425芯片供电端口VCC处分别接电感L1、L2和电容C2、C4，主要作用是滤除电源的高次谐波，确保电路的稳定。在输出端接可调反馈电阻R3至反相输入端口，同时在反相输入端口接出输入电阻R4，并且串联一电容C3，组成反馈回路。
    第二级放大电路形式与前级基本相同，偏置电阻阻值等基本一致，只是在输入输出端电容电阻的分布不一样，同时对反馈增益的控制也不一致。第二级放大电路主要是承担第一级后剩余的电路放大任务和保证信号完整无误地顺接到下一级电路中去。另外，在放大后输出端串联1个50Ω电阻，与后级电路匹配上。需要注意的是为防止电源引起两级放大电路不稳定，两个放大器的电源安排必须服从一定规则。两级运算放大电路设计为增益在5～10倍之间，这样每级放大电路都不会承担很大的放大任务，信号就会很稳定的传输，受到的影响也会很小。
    滤波器设计为高通滤波器，截止频率点设在1 M上，对低频信号有一定衰减，而对高频信号几乎没影响。限幅电路主要是将信号幅值控制在±Von(Von为二级管导通电压)之间，保证了第二级放大电路的放大效果不失真。
    总体来看，两级运放放大电路的主要优势在于：1)增益分级承担，电路稳定性好；2)加入一级滤波器，噪声性能得到提高；3)增益带宽很容易满足要求；4)灵敏度较强。
    两级运放放大电路的主要劣势在于：1)电路模块稍多，布局较繁琐；2)模块之间级联问题大；3)电源的使用要求较高。
2．2 电源电路设计
    对高频信号，尤其是在放大电路中，电源的影响不容忽视，一个稳定的电源能使放大电路持久稳定的工作，相反如果电源特性很差，不仅能使信号紊乱，还会带来非常大的噪声影响。
    在设计方案中选用了宽输入电压范围、低静态电流线性稳压器MAX5084芯片。该芯片空载时仅消耗50μA的静态电流，关断模式(EN拉低)下仅消耗6 A电流。其SET脚输入接地时，选择5 V的预置输出电压。另外，也可以将SET引脚通过电阻分压网络接到稳压器输出端，在2．54～11 V范围内调节输出电压。OUT_SENSE引脚还能对负载电压进行远端检测，从而消除引线电阻压降产生的误差。该芯片还具有短路保护和热关断功能，具体电路如图2所示。

    图中C10主要用于改善纹波特性，C19和C20于消除芯片自激振荡和改善瞬态响应。为有效地把两级放大电路电源隔开，最好在电源输出端分两线，一线接第一级放大电路电源，另一线加一个二极管再接至第二级放大电路电源。为保证第二级的供电电压，电路使用锗二极管，导通压降仅为0．3 V对电路放大性能不会产生太大影响。
2．3 滤波器设计
    滤波器主要是对带外信号和噪声进行大幅度衰减，而对带内信号则保持不衰减或尽量小衰减通过。出于对设计的放大电路频率范围比较大的考虑(低频的输入信号一般比较大，而高频的输入信号一般比较小)，必须设计一个滤波器，并且此滤波器的要求是：1)对带外信号，尤其是高频分量的信号进行较大幅度的衰减；2)保证带内信号尽量不衰减或衰减足够小的通过，以确保放大器的灵敏度要求和放大器的增益要求；3)在滤除部分噪声的同时，尽量小地产生噪声带至后级放大电路中去。所以采用无源滤波器并作图3所示设计。

    滤波器是由2个电容C1、C2和2个电感L1、L2构成的，通过对可调电感L2的调整来调节滤波器的滤波特性，最终满足信号选择的要求。

3 结 论
    低噪声宽带放大器的设计是建立在某接收机设计应用基础上的一种方案。该方案在设计上采用了分立元器件与集成电路相结合的方式，充分利用各自的优势使得整体模块具有电路设计简单、放大效果优良、实现较容易等特点。设计中还应进一步处理好射频放大器增益与带宽之间的关系，从实际需求出发，二者兼顾以获取更好的放大性能。希望该方案能为更多的低噪声宽带射频放大器的设计提供一定的参考。