以国赛F题讨论射频前置放大器

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。

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。

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。