以国赛F题讨论射频前置放大器

gmchen

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本届电子国赛F题，涉及射频前置放大器设计与制作。有采用高频运放作为前置放大器的，也有采用MMIC做前置放大器的，下面就这两种放大器做一点分析比较，权当抛砖引玉。

先说运放。

本网站看到的一个例子采用运放OPA847，采用该运放后放大器的主要参数分析如下：

1、闭环带宽。

闭环带宽与放大倍数有关。手册给出12倍时为600MHz，20倍时为350MHz。实际上若将放大倍数控制在16倍左右（24dB）时，-3dB带宽大约为500MHz且具有很平坦的响应（400MHz以下起伏大概只有0.2dB），完全可以满足F题的要求。

2、增益。

由于运放闭环后的输出阻抗接近0（对于OPA847，在100MHz时的输出电阻大约2欧），所以必须在输出端串联一个47欧姆电阻才能做到与后级的阻抗匹配，所以实际的增益只有8倍（18dB）。

3、噪声。

手册给出OPA847的输入噪声电压是0.98nV/sqrtHz，噪声电流极小可以忽略不计。由于运放具有很高的输入阻抗，需要在输入端接入50欧的匹配电阻，此电阻也是一个不可忽略的噪声源。下面分别计算之。

运放的输入噪声功率密度为：(0.98*10^-9)^2/50=2*10^-20(W/Hz)=-167dBm/Hz。

电阻的噪声功率密度为：4kTR=4*1.38*10^-23*290*50=8*10^-19(W/Hz)=-151dBm/Hz。

由于有两个输入端电阻，此噪声功率还要加倍，可见电阻的噪声比运放的更大，放大器的输入端总噪声基本上就是这两个电阻的噪声，约为-148dBm/Hz。

gmchen

再说MMIC，也有一个例子采用的是低噪声增益模块SPF5043，采用该模块的放大器的主要参数分析如下：
1、带宽与增益。
该模块的工作频率是50MHz~4GHz，主要工作于1GHz以上，所以手册中对于国赛F题的工作频率范围内的参数不是很详细，仅给出100MHz、400MHz、900MHz这三个点的增益分别为23.5dB、21.6dB、18.2dB，但仅从这些参数已经看到它完全满足国赛F题的要求。
2、噪声。
手册给出在100MHz、400MHz、900MHz这三个点的噪声系数分别为0.65dB、0.61dB、0.74dB，若按照0.65dB估计，则输入端的噪声功率密度大约是6.5*10^-22(W/Hz)，即-182dBm/Hz。

gmchen

比较上述两个结果，在带宽与增益两方面，运放与MMIC都可以满足F题的需求，MMIC的优势在于若提高信号频率也无妨，运放OPA847在题目要求的频率范围内增益平坦度极好，但若大幅度提高信号频率则必须另觅性能更优异的芯片。
在噪声方面，MMIC完虐运放。

最后再分析一下采用运放的放大器噪声问题。
在国赛F题中，信号带宽是50MHz（250MHz~300MHz），如果在前置放大器中设置带通滤波器将带宽限制在略大于这个范围，则噪声带宽大致可以按照100MHz计算，这样折合到放大器输入端的噪声功率大约是-148+10lg(10^8)=-68dBm.
F题要求的最低输入电平是10uV，合-87dBm，所以在不考虑其它噪声的情况下，采用运放OPA847的前置放大器此时的输入端信噪比是-19dB.换言之此时前置放大器的输出端信号已经淹没在噪声中。但是实际上用OPA847做前置放大器还是可以完成国赛F题的，原因就是后面的中频放大器具有很高的选择性。
按照F题的要求，其最高调制频率为5kHz，所以中频放大器的带宽只要10kHz即可。但是由于中频滤波器的Q值限制，实际上不可能做到这么窄。假设中频放大器的带宽为50kHz，那么在不考虑其他噪声情况下，可以将前置放大器的噪声带宽近似等效为只有50kHz，那样的话，等效到前置放大器输入端的噪声功率就只有-148+10lg(50*10^3)=-101dBm，相应的信噪比是14dB。

chunyang

楼主说的不错。运放并不适合用于UHF频段，性价比实在太差了，在通迅产品中至少我没有见过有用运放做射频前置放大器的，UHF和微波频段都是用LNA即MMIC的。即使是频率较低的VHF甚至短波频段也不会用运放做前置，还是性价比问题。

RF-刘海石

我也来说说，这个个题目的前端电路，这个题目我也做了，前端做出来，没问题，我的方案完全分享在论坛里面了，我就采用的是SPF5043，这个管子最大的好处就是傻瓜式的，内匹配到50欧姆。不需要外置匹配电路。

我个人觉得，设计高频接收机。前端就不能用运放来做低噪放，我不怎么接触运放，可能我了解得比较少。但是我知道，运放的输入阻抗为高阻，输出为低阻，带宽和平坦度先不看，就看这个我觉得用到射频上面就很麻烦，要匹配到50欧姆，而且要做到低噪声，这样，我觉得运放不适合做低噪放，就算增益和平坦度都很好，我估计最后整机出来的效果也好不到哪去。

这个频段的接收机我看的最多就是鬼子做的数传电台，真的不得不佩服鬼子，人家在二三十年前，就采用三极管很场效应管做出来的接收机，直到现在还是在畅销（可以参考日精电台）谁有可以拆看看看里面的设计和布局，射频部分很难找到芯片，可以这么说，完全是管子做的，这可以证明鬼子的模拟电路多么的扎实。

这个题我正在打算从新做一次，我也想采用管子来完成设计，不采用任何芯片。我接触过的很多接收机，不管是高频的还是低频的，我真的还没有见过用运放做低噪声放大器的，短波机1.8mhaz-----30MHz这个频段，前端都是采用场效应管来做的低噪放。

我觉得，在射频的通路上不能用电阻去匹配吧，电阻是吃能量的，好不容易放大器有增益了，后面来个电阻匹配，增益又下去了，所以，匹配都是用电容和电感去匹配的。

要是从这个题来分析，我觉得出题人的初衷是让学生采用三极管或者是场效应管之类的放大器，做低噪放，这样可以检验下学生的模电学的是否扎实。

总结以上了楼主分析的，和我个人的见解，运放不适合做低噪放。

gmchen

RF-刘海石 发表于 2017-9-10 16:46
我也来说说，这个个题目的前端电路，这个题目我也做了，前端做出来，没问题，我的方案完全分享在论坛里面了 ...

用MMIC做放大器的好处是方便，但是学生普遍对MMIC不熟悉，而运放大家都很熟悉，所以他们选用运放也很自然。
如果用晶体管做放大器，好处当然是一切尽在掌握中，但是难度也就是这个“一切尽在掌握中”。不说别的，单单一个前后端的匹配就可能难倒绝大部分的学生以及相当一部分教师。再说要做这个，没有一个网络分析仪那是想都不要想的，但是动辄十几万到几十万的仪器，学校都要做贵重仪器登记的，哪能随便让本科学生动？所以用运放做也可以说是一个无奈的选择。
不过我看好你的打算，希望做完后能够分享。

gmchen

刘海石的回复给我一个启发。尽管采用运放是无奈之举，但是从前面的分析可以看到，在400MHz以下，运放OPA847在增益与频响方面已经满足题目要求，唯一的不足是噪声，而噪声的主要来源是运放的输入电阻，所以若用一个LC网络来构成阻抗匹配，既可以提高放大器增益又可以降低放大器噪声。但是，若落实到实际设计和制作上，就如我在楼上所言，这对于本科学生来说又是一个难题......

RF-刘海石

gmchen 发表于 2017-9-10 18:23
用MMIC做放大器的好处是方便，但是学生普遍对MMIC不熟悉，而运放大家都很熟悉，所以他们选用运放也很自然 ...

还有，既然选择了这个题，就要考虑到网分的问题，要做接收机，网分是不可缺少的，不说别的，那中频滤波器怎么调试的呢？按照题目的要求是照片输出50欧姆，晶体滤波器和陶瓷滤波器都是高阻的，一定要做阻抗变换的呀，没有网分根本调不出来的。

哎，，这就是中国的教育，，很悲哀呀，我有时间了我肯定要用管子实现，然后分享出来。

gmchen

RF-刘海石 发表于 2017-9-10 19:39
还有，既然选择了这个题，就要考虑到网分的问题，要做接收机，网分是不可缺少的，不说别的，那中频滤波器 ...

据我所知，好多学校是没有网分的（或者说是负责学生竞赛等事宜的学生实验室部门没有网分），所以没法做匹配的事情。就是这次国赛，据说有一个学校在公布仪器清单后还专门采购了一台谱分。而且在公布的器材清单中也没有提到网分，看来那些出题的专家们也不打算让学生去做匹配

chunyang

RF-刘海石 发表于 2017-9-10 16:46
我也来说说，这个个题目的前端电路，这个题目我也做了，前端做出来，没问题，我的方案完全分享在论坛里面了 ...

同意这样的看法，但是作为学生别说玩好分立元件的高频LNA了，就是常规晶体管模拟电路恐怕都嚼不下来，虽然竞赛有一定引导作用，但起到的效果估计极为有限。

xunke

RF-刘海石 发表于 2017-9-10 16:46
我也来说说，这个个题目的前端电路，这个题目我也做了，前端做出来，没问题，我的方案完全分享在论坛里面了 ...

专业性的分析！

捷配PCB打样

看着有点。

cishengbuyu

模电学问实在太深邃了，记得备战今年电赛一个学期也不过是对放大器有了点凤毛麟角般的认识，更别提用分立元件和楼主说的MMIC了（之前都没听过orz...)。然而最让我郁闷的是周围不少人直接淘宝买的模块然后拿了NB的奖项，太坑爹了。当然这水平想过复测就算了吧。。总之感觉电赛的导向作用真的对有志于钻研模电的人影响深远，然而就本科学的那点东西。。实在是浅尝辄止，就会做几道题，有什么用呢？还是恨水平不够，苦恼于不知道如何提高！

mrf245

大学里用MMIC做射频放大的同学少之又少，只有做过工程应用，至少应该是研究过射频仪器类设计思路或维修过射频仪器的才知道MMIC在射频宽带放大里应用的广泛性。
去年看到这题马上就反应过来这是个AM广播接收机，只不过频率不在中波波段。而且题目还考察中频滤波器和频率变换电路设计调试，以及AGC电路设计。这是个很接地气的题目。如果9年前让我做这题，估计至少是国2。

bg1hnw

射频前置放大器，主要目标是低噪声，放大倍数都是次要，10倍都可以。国外的电路主要以低噪声三极管、场效应管组成，直流工作点选择根据噪声曲线，选噪声值低的。