吕俊材，吕立明，曾 荣 (中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621999)

摘 要：基于共集共基电路的宽带小型化限幅放大器设计，利用三极管发射结特有的 IV 特 性，将输入三极管工作在共集组态，并在后级级联共基组态三极管，实现输入信号非饱和削波， 达到限幅目的。由于共集与共基放大电路都具有宽带特性，故其级联后电路特性也具有宽带特 性。本文利用该结构设计了一款宽带限幅放大器，工作带宽覆盖 10~200 MHz，增益大于 25 dB， 限幅输出功率 2 dBm，输入输出回波损耗均大于 20 dB。利用薄膜电路工艺设计实现小型化限幅放 大器设计，电路尺寸为 7.15 mm×8.1 mm，与印制板(PCB)电路相比，尺寸明显较小。该电路结构 精简，性能优越，适合分离元件电路设计。

关键词：限幅放大器；共集共基电路；宽带放大器；薄膜电路

Design of broadband compact limiting amplifiers

Abstract： Common collector common base cascaded transistor structure can compose limiting amplifiers because of special IV curve between the emitter junctions. The first transistor is common collector and the second transistor is common base so that the amplifier can limit the output wave to nonsaturation, which means limiting the output power. Because both of the common collector and common base transistors have broadband structures, the final amplifiers are of broadband characteristic. A broadband limiting amplifier is designed, which operates from 10 MHz to 200 MHz, with the gain of 25 dB, the limiting power of 2 dBm, the return loss upper 20 dB. A compact limiting amplifier is designed by thin film circuit technology, whose size is 7.15 mm× 8.1 mm, smaller than that by traditional Printed Circuit Board (PCB) technology. The limiting amplifier has smaller size and more excellent performance.

Keywords：limiting amplifiers；common collector common base circuits；broadband amplifiers； thin-film circuits

    在雷达与通信系统中，接收信号功率范围很大，接收机接收到的功率为-120~0 dBm，动态范围高达 120 dB。 而目前的模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)动态范围较小，无法处理如此大范围的信号，因此在 中频放大阶段，普遍需要采用动态压缩技术[1-7]。限幅放大器是结构最为简单的动态范围压缩电路，具有瞬时压 缩的特点，可用在脉冲体质接收系统中，也可用来保护接收机后续设备不饱和、不过载。优点是结构简单，实 现容易，成本低；缺点是可控范围比较窄，而且有较大的非线性失真。

    限幅放大器主要由饱和限幅结构和截止限幅结构组成。饱和结构主要利用晶体管饱和工作原理，结构简 单，但受器件饱和恢复时间和非线性相位失真制约，限幅性能不佳。截止限幅结构一般为差分对或平衡式限幅 结构，具有偶次谐波抑制和宽带限幅特性[8-9]。本文从平衡式二极管限幅原理出发，分析三极管共集共基电路限 幅原理，并利用该结构进行宽带限幅放大器小型化设计。

1 平衡式二极管限幅器的原理 

    平衡式二极管限幅器，按照电路结构，分为并联限幅器与串联限幅器，图 1 为平衡式二极管限幅器的电路 原理图。

    为获得对称的削波波形，即具有偶次谐波抑制的 能力，可将 2 个二极管串联或并联组成限幅器，电路 如图 1(a)与图 1(b)所示，2 个电路为互补电路，限幅 特性等效。在图 1(b)中，UEE 为负电压，为二极管提 供正向导通的偏置，在小信号情况下，二极管 D1 与 D2 都导通，此时其二极管静态电流可用式(1)计算：

式中：ID 为二极管静态电流；R1 与 R2 为偏置电阻； 0.7 为二极管导通时两端电压(单位：V)，根据二极管电流电压方程[5]，可算出其二极管导通时的动态电阻为：

式中 RD 代表二极管导通时的动态电阻。

    如图 1(b)所示，此时限幅器相当于 2 个电阻串联，调节电阻 R2 使二极管静态电流为一合适值，限幅器小信 号衰减较小。当输入信号增大时，在信号的正半周，二极管 D1 的正极电位比负极电位高，因此始终导通。当输 入信号正值不断增加到某一门限值时(正限幅点)，D2 的负极电压比正极电压高，D2 开始截止，此时在负载 RL 上 的输出电压近似不变，达到正向削波作用，直到输入信号重新又下降到限幅点时，输出电压才随其下降。在信 号下降到某一门限值时(负限幅点)，D1 的正极电压比负极电压低，此时 D2 管因 UEE 的作用仍然导通，故在负载 RL 上得到一个恒定的电压输出，实现负向削波[5]。因此，不论输入信号是正半周还是负半周，只要超过门限 值，输出电压就不变，于是完成了双向削波，起到了限幅的作用，且该限幅输出频谱分量缺少偶次谐波[10]。

    在实际的二极管限幅器中，由于二极管的反向电阻与正向电阻的比值不可能无穷大，二极管在正向导通时 存在扩散电容，使二极管在导通时存储电荷较多。当外加信号变化使二极管截止时，由于存储的电荷不能立即 消失，表现为二极管不能马上截止；当输入电平达到门限时，削波输出并不是保持在一个恒定电压，而是有一 个时间为 τ 的尖峰[11]，该尖峰时间大约为二极管反向恢复时间 τ。为达到好的限幅特性，对于特定使用频率， 只要 τ 小于工作半周期的 1/10 即可。

2 基于共集共基结构限幅放大器设计 

    由平衡式二极管限幅器原理可引申出三极 管共集共基限幅放大器的限幅原理。共集共基 放大器结构如图 2(a)所示，第一级放大为共集 电路，第二级为共基电路，2 个三极管发射级 相连。由于三极管的 B-E 极 PN 结等效为一个 二极管，将图 2(a)的电路简化为图 2(b)的等效 电路图。可以发现，其等效为图 1(b)中的二极管 串联限幅器级联一个受控电流源，由此推断出其 具有与二极管串联限幅器相同的限幅特性。

    设计共集共基组态静态偏置电路：所有晶 体管静态工作电流约为 9 mA，选用的三极管为 2SC3356，特征频率 fT 为 7 GHz。整体电路图 如图 3 所示，其为两级。该电路 5 V 供电，总 工作电流为 43.5 mA。三极管共集共基限幅放 大器的限幅电压为：

式中：RC 为输出端集电极电阻；IC 为输出端三极管集电极电流。

    将该电路在 ADS 软件中进行谐波平衡仿真，仿真结果如图 4 所示。由图 4(a)可知，该放大器输入输出回波 损耗均大于 17 dB，增益在 200 MHz 处为 29 dB。图 4(b)为限幅放大器输入功率在-40~0 dBm 变化时，输出功 率的变化，可以看出，当输入功率增加，频率从 50 MHz 增加至 250 MHz 时，输出功率限制在 1 dBm 左右，限 幅效果良好。

3 小型化限幅放大器实现与测试 

    为实现限幅放大器小型化，采用陶瓷基板，利用薄膜电路工艺加工完 成混合集成电路版图，如图 5 所示，电路板尺寸为 8.1 mm×7.1 mm。电 路基板厚 0.25 mm，相对介电常数 9.9，损耗角正切 tanδ 为 0.001；电路 电阻为薄膜电阻，电阻层线宽为 0.1 mm；电路中电感采用螺旋电感，在 平面电磁仿真软件里仿真确定尺寸。图 6 为限幅放大器 S 参数测试结果， 从图 6 可知，当频率由 50 MHz 增至 500 MHz 时，其增益大概下降 8 dB， 回波损耗在 17 dB 以上。图 7 为限幅输出特性测试结果，图 7(a)中，输出 限幅功率在 50~250 MHz 范围内为 2 dBm 左右(图 4(b)为 1 dBm)；图 7(b)为输入频率为 100 MHz 时，输出二次 谐波随输入功率的变化情况，结合图 7(a)可得，其二次谐波抑制在 100 MHz 处大于 22 dBc，测试结果与仿真吻 合度较高。

4 结论 

    限幅放大器在中频链路中至关重要。为获得大动态范围、小尺寸的限幅放大器，本文采用共集共基电路构成 结构精简的限幅放大器。仿真论证了该放大器的优异性能：3 dB 工作带宽覆盖 50~250 MHz，增益大于 28 dB，限 幅输出功率 2 dBm，输入输出回波损耗均大于 17 dB。最后利用薄膜电路工艺设计完成小型化限幅放大器设 计，电路尺寸为 7.15 mm×8.1 mm，与 PCB 电路相比，尺寸明显较小。该电路结构精简，性能优越，适合分离 元件电路设计。

参考文献：

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[11] 吴援明,唐军. 模拟电路分析与设计基础[M]. 北京:科学出版社, 2006. (WU Yuanming,TANG Jun. Analysis and design basis of analog circuits[M]. Beijing:Science Press, 2006.)

 作者简介： 

吕俊材(1992-)，男，硕士，助理研究员，主要研究方向 为微波电路与系统. email:1097203833@qq.com. 

吕立明(1980-)，男，研究员，主要研究方 向为先进电子集成技术、系统工程. 

曾 荣(1985-)，男，副研究员，主要研究 方向为先进电子集成技术.