一种低功耗超宽带低噪声放大器制造技术

一种低功耗超宽带低噪声放大器，所述低噪声放大器采用对称结构，包括：增强型赝配高电子迁移率晶体管作为第一级放大器，电流反馈放大器作为第二级放大器，和一个巴伦，其中输入信号被增强型赝配高电子迁移率晶体管放大后，信号通过交流耦合到电流反馈放大器，两个电流反馈放大器的输出端分别与所述巴伦相连，所述巴伦将差分信号组合为一个终端输出，其中所述增强型赝配高电子迁移率晶体管通过运算放大器实现偏置。本发明专利技术降低了后级放大器的噪声对整个LNA噪声性能的影响，通过降低栅极电压以及增大漏极的电阻，大幅降低了漏极电流，同时保证了的放大器的动态范围，整个LNA的噪声就得到了明显的改善，并且功耗小于LOFAR的LNA的四分之一。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗超宽带低噪声放大器
本专利技术属于空间射电望远镜
，具体涉及一种低功耗超宽带低噪声放大器。
技术介绍
在过去的半个世纪，每一次新的频谱窗口的打开都为天文学带来了新的革命，随之产生了许多意料之外的重大发现，包括20世纪50和60年代在低频射电波段发现的类星体和脉冲星，60年代在微波波段发现了宇宙微波背景辐射，80和90年代使用在X射线和中微子进行天文研究等，这也为通过观测整个电磁频谱内的辐射来全面理解宇宙射电源新的物理过程提供了可能。甚低频频段(＜30MHz)，作为最后几个未被观测的频谱窗口之一，潜在的科学发现使它成为目前射电天文学研究的热点。然而，在低于30MHz的频段，大量人为的强射电干扰严重限制了人们对宇宙射电辐射的观测，而地球电离层的反射和吸收作用更使得基于地基射电望远镜对低于10MHz的宇宙射电辐射进行观测几乎不可能。为了实现对这一频段的射电观测，空间射电望远镜成为了必然的选择。对于空间低频射电望远镜，天线系统作为其基本的接收单元，它最重要的一个特性是要求低功耗，对天空背景的噪声抑制性能则是另一个重要的特性，通常要求接收系统给的噪声要小于天空背景噪声的10％。另外，为了实现某些特定的科学观测，例如宇宙暗黑时代、太阳及行星低频射电爆发，要求低频天线的工作频段能够达到约80MHz或者更高，这将与地面射电望远镜的工作频段有一定的重叠，从而也为联合观测校准提供了一种可能。如果天线的工作频率要覆盖从约100kHz到80MHz整个频谱范围，则要求连接天线的低噪声放大器(LowNoiseAmplifier，LNA)必须能够在这一超宽带范围内实现良好的噪声和线性特性。而对于LNA，其主要的功能是对来自天线的信号进行放大并尽可能地降低自身的噪声。为了实现上述低频射电望远镜对天线系统的要求，设计出能够符合要求的LNA至关重要。目前，国际上没有任何空间射电望远镜能够工作在100KHz～80MHz频段，地面上的射电望远镜工作频段与之接近的只有荷兰的LowFrequencyArray(LOFAR)和美国的Long-WavelengthArray(LWA)，它们的技术也反映了该领域的最高水平。LOFAR的天线工作在10-90MHz，采用的是基本的偶极子天线；LWA的天线工作在10～88MHz，采用的是“蝶形”的偶极子天线。其中，荷兰LOFAR采用的天线与空间低频天线类似，均为最基本的偶极子天线，因此其LNA的设计最为接近且能够反映未来空间低频射电望远镜的技术。对于LNA，绝大部分设计都是基于50欧姆系统的，这类LNA的输入端和输出端都是50欧姆匹配的。而低频射电望远镜，其覆盖一个很宽的频带范围，天线的辐射阻抗的变化高达50dB，在天线与LNA之间，无论是功率匹配还是噪声匹配都是非常难以实现的，因此一般的50欧姆匹配的LNA很难满足要求。为了实现超宽带的信号放大，只能将LNA的输入阻抗射设计的足够小(电流放大器)或是足够的高(电压放大器)。而荷兰LOFAR的天线正是采用了这种方式，利用场效应管将LNA的第一级放大器设计为一个电压放大器，其具体的设计如图1所示。在上述设计中，低噪声放大器的第一级采用了低噪声的增强型赝配高电子迁移率晶体管(EnhancementModePseudomorphicHEMT，E-PHEMT)器件ATF54143。该器件由于它的电流增益很高，且栅极电流几乎为零，因此它的等效噪声电流很小。为了实现在频带内的高的电流增益，场效应管的特征频率ft必须远高于工作频率；为了实现低的等效输入电压，它的跨导必须很高；而安捷伦公司的ATF54143同时满足这两个条件，因此LOFAR的低噪声放大器采用它作为第一级放大器。在第二级放大器的选择上，LOFAR的LNA采用了一个宽带PNP型三极管BFG31，与第一级构成了一个电压反馈放大电路，在保证低噪声放大器增益的同时又实现了整个电路的稳定。LOFAR的中心站点虽然建在一个无线电保护区内，但由于甚低频的射电干扰可以通过电离层的反射来传播，其传输的距离比较远。因此LOFAR的LNA在设计之初就充分考虑到了这一点，其电路设计的重点放在了提高放大器的线性范围，抑制二阶和三阶互调信号的能力上，而这最终是通过提高放大器的功率消耗来达到了要求的指标。另外，由于LOFAR的天线结构简单，价格便宜，其灵敏度可以通过增加天线的数目来提高，因此其噪声的性能也并不是最重要的考虑因素。基于以上的原因，LOFAR的LNA在功耗和噪声性能上并不能满足未来空间低频射电望远镜的需要，尤其是功耗方面，其两个极化低噪声放大器的功耗高达1瓦以上。
技术实现思路
针对上述LOFAR的LNA所存在的缺陷，本专利技术提出了一种低功耗超宽带低噪声放大器，改善了LNA的功耗和噪声性能。本专利技术的低功耗超宽带低噪声放大器，所述低噪声放大器采用对称结构，包括：增强型赝配高电子迁移率晶体管作为第一级放大器，电流反馈放大器作为第二级放大器，和一个巴伦，其中输入信号被增强型赝配高电子迁移率晶体管放大后，信号通过交流耦合到电流反馈放大器，两个电流反馈放大器的输出端分别与所述巴伦相连，所述巴伦将差分信号结合为一个终端输出，其中所述增强型赝配高电子迁移率晶体管通过运算放大器实现偏置，所述运算放大器通过测量漏极的电压来实现对栅极电压的控制。优选地，所述运算放大器的输出端通过串联的第一电阻和第二电阻与所述第一级放大器的栅极相连；所述第一级放大器的漏极通过串联的第三电阻和第四电阻与正电压稳压器相连；所述运算放大器的输入端连接在所述第三电阻和第四电阻之间；所述第一级放大器的源极通过并联的第五电阻和第六电阻接地，并且通过第七电阻连接到所述第二级放大器的同相输入端。优选地，天线通过第一电容与所述第一级放大器的栅极相连。优选地，第二电容的一端连接在所述第一电阻和第二电阻之间，另一端接地。优选地，所述第一级放大器的漏极通过第三电容接地。优选地，第四电容的一端连接在所述第三电阻和第四电阻之间，另一端与所述第二级放大器的同相输入端相连。优选地，所述第二级放大器的反相输入端通过第八电阻接地；所述第二级放大器的输出端通过第九电阻与反相输入端相连，并通过第十电阻与所述巴伦相连。优选地，所述第二级放大器的正电源端通过第五电容接地，正电源端通过第六电容接地。优选地，所述增强型赝配高电子迁移率晶体管为ATF54143。优选地，所述电流反馈放大器选自EL5162、EL5132、E15134或者EL5164中的一个。优选地，所述运算放大器为LMV321。优选地，所述正电压稳压器为稳压芯片XC6215。优选地，所述电流反馈放大器的正负电压的转换和稳压由开关电容性电压转换器实现，或者所述电流反馈放大器由单电源供电，所述开关电容性电压转换器优选为LT1054。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)为了降低系统的噪声，本专利技术选择了一个噪声比较低的放大器EL5162作为第二级放大器，同时将第一级放大器的增益设置的比较高，这样就降低了后级放大器的噪声对整个LNA噪声性能的影响。进一步，通过降低栅极电压以及增大漏极的电阻，大幅降低了漏极电流，同时保证了的放大器的动态范围，从而使得第一级放大器的等效噪声电流变小，再加上来自后级放大器的噪声减小，整个LNA的噪声就本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低功耗超宽带低噪声放大器，所述低噪声放大器采用对称结构，包括：增强型赝配高电子迁移率晶体管作为第一级放大器，电流反馈放大器作为第二级放大器，和一个巴伦，其中输入信号被增强型赝配高电子迁移率晶体管放大后，信号通过交流耦合到电流反馈放大器，两个电流反馈放大器的输出端分别与所述巴伦相连，所述巴伦将差分信号结合为一个终端输出，其中所述增强型赝配高电子迁移率晶体管通过运算放大器实现偏置，所述运算放大器通过测量漏极的电压来实现对栅极电压的控制。

【技术特征摘要】
2018.02.09 CN 20181013980141.一种低功耗超宽带低噪声放大器，所述低噪声放大器采用对称结构，包括：增强型赝配高电子迁移率晶体管作为第一级放大器，电流反馈放大器作为第二级放大器，和一个巴伦，其中输入信号被增强型赝配高电子迁移率晶体管放大后，信号通过交流耦合到电流反馈放大器，两个电流反馈放大器的输出端分别与所述巴伦相连，所述巴伦将差分信号结合为一个终端输出，其中所述增强型赝配高电子迁移率晶体管通过运算放大器实现偏置，所述运算放大器通过测量漏极的电压来实现对栅极电压的控制。2.如权利要求1所述的低功耗超宽带低噪声放大器，其中，所述运算放大器的输出端通过串联的第一电阻(R1，R2)和第二电阻(R3，R4)与所述第一级放大器的栅极相连；所述第一级放大器的漏极通过串联的第三电阻(R5，R6)和第四电阻(R7，R8)与正电压稳压器相连；所述运算放大器的输入端连接在所述第三电阻(R5，R6)和第四电阻(R7，R8)之间；所述第一级放大器的源极通过并联的第五电阻(R9，R10)和第六电阻(R11，R12)接地，并且通过第七电阻(R13，R14)连接到所述第二级放大器的同相输入端。3.如权利要求1所述的低功耗超宽带低噪声放大器，其中，天线通过第一电容(C1，C2)与所述第一级放大器的栅极相连。4.如权利要求1所述的低功耗超宽带低噪声放大器，其中，第二电容(C3，C4)的一端连...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈林杰，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：北京,11