基于ADS的低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文基于 ADS的低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真一、實(shí)驗(yàn)背景和目的 4矚慫潤(rùn)厲釤瘞睞櫪廡賴(lài)。1.1 低噪聲放大器 4聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛(ài)氌譴凈。1.1.1 概念 4殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟。1.1.2 主要功能 4釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1.1.3 主要應(yīng)用領(lǐng)域 5彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。1.2 低噪聲放大器的研究現(xiàn)狀 5謀蕎摶篋飆鐸懟類(lèi)蔣薔。1.3 本實(shí)驗(yàn)報(bào)告的主要研究?jī)?nèi)容和內(nèi)容安排 6 廈礴懇蹣駢時(shí)盡繼價(jià)騷。二、 低噪聲放大器的原理分析與研究 7煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。2.1 低噪聲放大器的基本結(jié)構(gòu) 7鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴(lài)。2.2 低噪聲放大器的基本指標(biāo) 7籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。2.2.1噪聲系數(shù) 8預(yù)頌圣鉉

2、儐歲齦訝驊糴。2.2.2增益 9滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。2.2.3輸入輸出駐波比 9鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。2.2.3反射系數(shù) 9擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。2.2.4放大器的動(dòng)態(tài)范圍（IIP3） 10贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。2.3 低噪聲放大器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的基本原則 10壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。2.3.1低噪聲放大管的選擇原則 10蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅。2.3.2 輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)原則 1 1 買(mǎi)鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。三、低噪聲放大器的設(shè)計(jì) 14綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。3.1放大器設(shè)計(jì)的主要流程 14驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂(yōu)錦。3.2低噪聲放大管的選擇 16貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。3.3穩(wěn)定性計(jì)算 17鍬籟饗逕瑣筆

3、襖鷗婭薔。3.4輸入輸出匹配電路電路設(shè)計(jì) 18構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話(huà)騖。3.5偏置電路 19輒嶧陽(yáng)檉籪癤網(wǎng)儂號(hào)澩。3.6電路中需要注意的一些問(wèn)題 19堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)蜆贅。四、設(shè)計(jì)目標(biāo) 21識(shí)饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。五、ADS 軟件仿真設(shè)計(jì)和結(jié)論 22凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。5.1 ADS 仿真設(shè)計(jì) 22恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。5.1.1 直流分析 DC TRacing 22鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫(kù)。5.1.2 偏置電路的設(shè)計(jì) 22碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。5.1.3穩(wěn)定性分析 23閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。5.1.4噪聲系數(shù)園和輸入匹配 23氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。5.1.5最大增益的輸出匹配 26釷鵒資贏車(chē)贖孫滅獅

4、贅。5.2 結(jié)論分析 31慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫(huà)長(zhǎng)涼。需要仿真源文件，請(qǐng)?jiān)诳臻g留言、設(shè)計(jì)的背景和目的1.1 低噪聲放大器在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中， 為了提高接受信號(hào)的靈敏度， 一般在接收機(jī)前端放置低 噪聲放大器用來(lái)提高增益并降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。 諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動(dòng)禪瀉類(lèi)。1.1.1 概念低噪聲放大器是噪聲系數(shù)很低的放大器。 一般用作各類(lèi)無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)的高頻 或中頻前置放大器， 以及高靈敏度電子探測(cè)設(shè)備的放大電路。 在放大微弱信號(hào)的 場(chǎng)合，放大器自身的噪聲對(duì)信號(hào)的干擾可能很?chē)?yán)重， 因此希望減小這種噪聲， 以 提高輸出的信噪比。由放大器所引起的信噪比惡化程度通常用噪聲系數(shù) F 來(lái)表 示。理想放大器的噪聲系數(shù) F1（0

5、 分貝） ，其物理意義是輸出信噪比等于輸 入信噪比?，F(xiàn)代的低噪聲放大器大多采用晶體管、 場(chǎng)效應(yīng)晶體管； 微波低噪聲放 大器則采用變?nèi)荻O管參量放大器 ，常溫 參放的 噪聲 溫度 Te 可低于幾十度 （絕對(duì)溫度 ），致冷參量放大器可達(dá) 20K 以下，砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管低噪聲微波 放大器的應(yīng)用已日益廣泛，其噪聲系數(shù)可低于 2 分貝。放大器的噪聲系數(shù)還與 晶體管的工作狀態(tài)以及信源內(nèi)阻有關(guān)。在工作頻率和信源內(nèi)阻均給定的情況下， 噪聲系數(shù)也和晶體管直流工作點(diǎn)有關(guān)。 為了兼顧低噪聲和高增益的要求， 常采用 共發(fā)射極一共基極級(jí)聯(lián)的低噪聲放大電路。 嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。1.1.2 主要功能隨著通訊工業(yè)的飛速

6、發(fā)展， 人們對(duì)各種無(wú)線(xiàn)通訊工具的要求也越來(lái)越高， 功 率輻射小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營(yíng)商乃至無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備制造商的 普遍追求， 這就對(duì)系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求， 我們知道，系統(tǒng)接收靈 敏度的計(jì)算公式如下： 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機(jī)庫(kù)。S=-174+ NF+10 BW+S/N由上式可見(jiàn)，在各種特定（帶寬、解調(diào) S/N 已定）的無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)中，能有 效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù) NF，而決定接收機(jī)的噪聲 系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器。 低噪聲放大器的主要作 用是放大天線(xiàn)從空中接收到的微弱信號(hào)， 降低噪聲干擾， 以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的 信息數(shù)據(jù)，所以低

7、噪聲放大器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。 鶼漬螻偉閱 劍鯫腎邏蘞。1.1.3 主要應(yīng)用領(lǐng)域低噪聲放大器可以使接收機(jī)接受的的微弱信號(hào)放大， 并降低噪聲的干擾， 無(wú) 失真的將信號(hào)放大傳給下一級(jí)電路， 是通信系統(tǒng)中重要的前端必備電路， 因此低 噪聲放大器廣泛應(yīng)用于微波通信、 GPS 接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對(duì)抗及各 種高精度測(cè)量系統(tǒng)等領(lǐng)域中，是現(xiàn)代 IC 技術(shù)發(fā)展中必不可少的重要電路。 紂憂(yōu)蔣 氳頑薟驅(qū)藥憫騖。1.2 低噪聲放大器的研究現(xiàn)狀隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，低噪聲放大器的性能不斷提高，采用 PHEMT 場(chǎng) 效應(yīng)晶體管的低噪聲放大器的在 800MHz 頻段噪聲系數(shù)可達(dá)到 0.4dB,增益

8、約 17dB左右， 1900MHz 頻段噪聲系數(shù)可達(dá)到 0.6增益為 15dB左右。穎芻莖蛺餑億頓裊 賠瀧。微波晶體管是較晚開(kāi)發(fā)的三電極半導(dǎo)體器件 ,由于其性能優(yōu)越 .迅速獲得了廣 泛應(yīng)用 .并不斷地向高頻率、大功率、集成化推進(jìn) .基本作用是放大器，已基本上 取代了參放 .部分地代替行數(shù) .在其它電路中也可使用 ,如:混頻器 ,倍頻器 ,振蕩器 , 開(kāi)關(guān)等 . 目前,廣泛應(yīng)用及有前景的元件主要有以下五種 .濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。BJT 雙極結(jié)晶體管是普通三極管向射頻與微波頻段的發(fā)展。 使用最多的等 效電路模型是 Gummel-Poon 模型，之后出現(xiàn)了 VBIC 模型， MEXTRAM 模型和

9、 Philips 模型。 VBIC 模型是 Gummel-Poon模型的發(fā)展伸； MEXTRAM 模型零極 點(diǎn)少，故比 Philips 模型收斂快。 銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。MOSFET 金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管在 2.5GHZ 以下頻段應(yīng)用的越來(lái)越多。 雙 擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 DMOS 是CMOS 晶體管向高頻的發(fā)展 ,側(cè)面雙擴(kuò)散金屬氧 化物半導(dǎo)體 LDMOS 器件是大功率微波放大器件。 SPICE 給出了雙極型 CMOS 的非線(xiàn)性模型 Bi-CMOS, Bi-CMOS 模型包括了同一硅片上的 BJTs ,N型 MOSFET 和 P 型 MOSFET.模型。 擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類(lèi)。MESFET 金

10、屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管是在 GaAs 基片上上同時(shí)實(shí)現(xiàn)肖特基勢(shì)壘結(jié) 和歐姆接觸。 這是一個(gè)受柵極電壓控制的多數(shù)載流子器件。 這種器件的非線(xiàn)性模 型 MESFET/HEMT 由幾個(gè)著名器件和軟件廠(chǎng)商給出，還在不斷完善。 賠荊紳諮侖驟 遼輩襪錈。HEMT(PHEMT 和 MHEMT) 高電子遷移率器件在很多場(chǎng)合下已經(jīng)取代了 MESFET 器件。 1980 年提出的這種器件，近幾年來(lái)才有大量工程應(yīng)用。 PHEMT 是點(diǎn)陣匹配的偽 HEMT 器件， MHEMT 是多層涂層結(jié)構(gòu)的變形 HEMT 器件， MHEMT 器件發(fā)展?jié)摿^大。 塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊(cè)庫(kù)。HBT 異質(zhì)結(jié)雙極結(jié)晶體管是為了提高 GaAs BJT

11、的發(fā)射效率于 1965年提 出，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展工程，而 1985年出現(xiàn)的 SiGe BJT 最大結(jié)溫 Tj,max 僅為 155呈現(xiàn)出良好的微波特性。 裊樣祕(mì)廬廂顫諺鍘羋藺。自 1988 年以來(lái)，微波半導(dǎo)體器件的性能得到了迅猛的發(fā)展，增益高，噪聲 低，頻率高，輸出功率大。技術(shù)的進(jìn)步，模型的完整使得 PHEMT器件成為 2GHz 無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的主力器件。 不斷出現(xiàn)的新材料帶來(lái)微波器件材料日新月異發(fā)展。 SiC 和 GaN的發(fā)明已經(jīng)使得 FET實(shí)現(xiàn)大高功率器件， N 溝道 MOSFET有望擔(dān)綱 60GHz 器件。 倉(cāng)嫗盤(pán)紲囑瓏詁鍬齊驁。低噪聲微波放大器( LNA )已廣泛應(yīng)用于微波通信、 GPS

12、接收機(jī)、遙感遙 控、雷達(dá)、電子對(duì)抗、射電天文、大地測(cè)繪、電視及各種高精度的微波測(cè)量系統(tǒng) 中，是必不可少的重要電路。微波晶體管放大器還在向更高工作頻率、低噪聲、 寬頻帶、集成化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。 綻萬(wàn)璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。1.3 本實(shí)驗(yàn)報(bào)告的主要研究?jī)?nèi)容和內(nèi)容安排本實(shí)驗(yàn)報(bào)告的將基于 ADS 仿真設(shè)計(jì)低噪聲放大器，并優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，最終 設(shè)計(jì)出符合各項(xiàng)指標(biāo)基于 ATF54143 場(chǎng)效應(yīng)管的低噪聲放大器。 驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻。本文研究的主要內(nèi)容安排如下：分析一般低噪聲放大器的基本結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)基本指標(biāo)， 低噪聲放大器的一般設(shè)計(jì)過(guò)程。選擇本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器的晶體管， 并初步設(shè)計(jì)低噪聲放大器的匹配 網(wǎng)絡(luò)和偏置電

13、路，穩(wěn)定性的解決方法。利用 ADS 軟件仿真設(shè)計(jì)低噪聲放大器，并完成電路圖的設(shè)計(jì)。低噪聲放大器的原理分析與研究2.1 低噪聲放大器的基本結(jié)構(gòu)低噪聲放大器由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、 微波晶體管放大器和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成。 低 噪聲放大器基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.1 所示。 瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)作為放大器的匹配電路， 用于實(shí)現(xiàn)放大器的最 佳源匹配和共軛匹配。 一般采用電感， 電容或微帶線(xiàn)來(lái)完成匹配電路。 晶體管是 放大器的核心器件， 所有的外部電路都是為了實(shí)現(xiàn)晶體管的更好的發(fā)揮功能， 實(shí) 現(xiàn)放大器的低噪聲，合適的增益和穩(wěn)定性。 鎦詩(shī)涇艷損樓紲鯗餳類(lèi)。2.2 低噪聲放大器

14、的基本指標(biāo)低噪聲放大器的二端口網(wǎng)路的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖 2.2 所示VSWRinVSWRout50outSL50圖 2.2 二端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2.2.1 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：2-1)NF= Sin NinSout Nout對(duì)單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：NF min 4Rs opt221- s 1 opt2-2)其中 Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，opt、Rn 和s分別為獲得 Fmin 時(shí)的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶 體管輸入端的源反射系數(shù)。 櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。對(duì)多級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：2

15、-3)NF=NF1+(NF -1)/G1+(NF -1)/G1G + 其中NFn為第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)， Gn 為第n級(jí)放大器的增益在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示很不方便，常常用噪聲溫度來(lái)表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)。Te = T0 ( NF 1 )(2-4)其中Te 為放大器的噪聲溫度， T0 =2900 K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。NF(dB) = 10LgNF(2-5)2.2.2 增益放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值：G=Pout / Pin(2-6)從(2-3) 的計(jì)算公式中可見(jiàn)，提高低噪聲放大器的增益對(duì)

16、降低整機(jī)的噪聲系 數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過(guò)高會(huì)影響整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。所以， 一般來(lái)說(shuō)低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、 接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等 結(jié)合起來(lái)考慮。 峴揚(yáng)斕滾澗輻灄興渙藺。2.2.3 輸入輸出駐波比低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其輸入輸出回路的匹配情況， 我們?cè)?設(shè)計(jì)低噪聲放大器的匹配電路時(shí)， 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計(jì)為接 近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡(luò)， 而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最 大功率和最低駐波比而設(shè)計(jì)，所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。 詩(shī)叁撻訥燼憂(yōu)毀厲鋨驁。這種失配在某些情況下會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定， 一般情況下， 為了減小

17、放大器輸入 端失配所引起的端口反射對(duì)系統(tǒng)的影響， 可用插損很小的隔離器等其他措施來(lái)解 決。輸入輸出駐波比計(jì)算公式： 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。VSWR=1l1l(2-7)2.2.3 反射系數(shù)放射系數(shù)是端口輸入電壓與輸出電壓的比值，表達(dá)公式為：(2-8)當(dāng) s = opt 時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)最小， NF=NFmin ，但此時(shí)從功率 傳輸?shù)慕嵌葋?lái)看， 輸入端是失配的， 所以放大器的功率增益會(huì)降低， 但有些時(shí)候 為了獲得最小噪聲， 適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種 辦法。 脹鏝彈奧秘孫戶(hù)孿釔賻。2.2.4 放大器的動(dòng)態(tài)范圍( IIP3)在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中， 應(yīng)充分考慮整個(gè)接收機(jī)

18、的動(dòng)態(tài)范圍， 以免在接收 機(jī)后級(jí)造成嚴(yán)重的非線(xiàn)性失真， 一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點(diǎn) IIP3 較高一點(diǎn)，至少比最大輸入信號(hào)高 30dB，以免大信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。 鰓 躋峽禱紉誦幫廢掃減。除以上各項(xiàng)外， 低噪聲放大器的工作頻率、 工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度 等指標(biāo)也很重要，設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮。2.3 低噪聲放大器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的基本原則2.3.1 低噪聲放大管的選擇原則對(duì)微波電路中應(yīng)用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及 足夠的動(dòng)態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達(dá)到幾個(gè)千兆噪聲系數(shù)為 幾個(gè)分貝，而砷化鎵小信號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率更高， 噪聲系數(shù)可在 1 分貝以 下。

19、 稟虛嬪賑維嚌妝擴(kuò)踴糶。我們?cè)谶x取低噪聲放大器管通?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行考慮：1) 微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的fT 一般要比工作頻率高 4 倍以上，現(xiàn)在 PHEMT 場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在 2GHz 可在 0.5dB 左右，工作頻率高端可達(dá)到 6GHz。 陽(yáng)簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。2) 微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動(dòng)態(tài)范圍 ,一般要求放大器工作增益大于 10dB 以上 , 當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)最大值時(shí)由放大器非線(xiàn)性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲，對(duì)于 ZXPCS 大基站項(xiàng)目由于最大輸入信號(hào)小于 -44dBm，考慮到放大器 13dB 左右增益，我們選取了 ATF3414

20、3 場(chǎng)效應(yīng)管它的增 益可達(dá) 15dB， OIP3為 30dBm 左右。溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應(yīng)。2.3.2 輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)原則對(duì)于單級(jí)晶體管放大器的噪聲系數(shù)，可以將表達(dá)式s optNF min 4R 2 21- s2 1 opt 2(2-9)GT=G0G1G2化成一個(gè)圓的表達(dá)式， 即等噪聲系數(shù)圓。 圓上每一點(diǎn)代表一個(gè)能產(chǎn)生恒定噪 聲系數(shù) NF的源反射系數(shù)。如要獲得需要的噪聲系數(shù)，只要在圓圖上畫(huà)出對(duì)應(yīng)于 這個(gè)噪聲系數(shù)的圓， 然后將源阻抗匹配到這個(gè)圓上的一個(gè)點(diǎn)就行了。 實(shí)際設(shè)計(jì)中 由于要兼顧到放大器的增益， 通常我們不取最小噪聲系數(shù)。 在對(duì)放大器進(jìn)行單項(xiàng) 化設(shè)計(jì)時(shí)(假定 S120)，轉(zhuǎn)移功率增

21、益 GT 可以由如下公式表示： 鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤 團(tuán)藺。2-11)2其中 G0= S11 ，G1 =對(duì)于特定的晶體1 12 ，G2= 1 2 21 1S111 2S22管 S11、S22 是確定的，不同的源反射系數(shù) 1 和負(fù)載反射系數(shù) 2 ，可以構(gòu)成恒 定增益圓， 設(shè)計(jì)時(shí)只須將源和負(fù)載反射系數(shù)分別匹配到相應(yīng)的圓上， 便能得到相 應(yīng)的增益。 將恒定增益圓與等噪聲系數(shù)圓結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)， 便能得到比較理想的結(jié) 果。另外設(shè)計(jì)中還要注意增益平坦設(shè)計(jì)主要是高端共軛匹配， 低端校正， 一般還 需在多個(gè)中間頻率上進(jìn)行增益規(guī)定性校驗(yàn)， 在高頻應(yīng)用時(shí)由于微波晶體管本身的 增益一般隨著頻率的升高而降低， 為了保證電路

22、在低頻率段的增益恒定和穩(wěn)定性 可以考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。 懨俠劑鈍觸樂(lè)鷴燼觶騮。在以上的討論中我們忽略了晶體管的反向傳輸系數(shù)，實(shí)際中微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極性晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的 S12 就表示內(nèi)部反饋量，它是 電壓波的反向傳輸系數(shù)。 S12 越大，內(nèi)部反饋越強(qiáng)，反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將 會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。微波管的 S21 代表電壓波的正向 傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。 S21 越大，則放大以后的功率越強(qiáng)。在同樣的反饋 系數(shù) S12的情況下， S21越大當(dāng)然反饋的功率也越強(qiáng)， 因此 S21 也影響放大器的穩(wěn)定性。 一個(gè)微波管的射頻絕對(duì)穩(wěn)定條件是： 謾飽

23、兗爭(zhēng)詣繚鮐癩別瀘。2 2 21- S11 - S222 S12 S21 =|S11*S22-S12*S21| )2-12)22S11 1 S12 S21 ， S22 1 S12S21K 稱(chēng)為穩(wěn)定性判別系數(shù)， K 大于 1 是穩(wěn)定狀態(tài)， 只有當(dāng)式中的三個(gè)條件都滿(mǎn)足時(shí)，才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工 作還要注意使放大器避開(kāi)潛在不穩(wěn)定區(qū)。 咼鉉們歟謙鴣餃競(jìng)蕩賺。為改善微波管自身穩(wěn)定性，有以下幾種方式：1)串接阻抗負(fù)反饋在 MESFET 的源極和地之間串接一個(gè)阻抗元件， 從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。 對(duì)于雙極晶體管則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元件接地。 在實(shí)際的微波放大器電路中， 電

24、 路尺寸很小， 外接阻抗元件難以實(shí)現(xiàn)， 因此反饋元件常用一段微帶線(xiàn)來(lái)代替， 它 相當(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋。 瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴(yán)減。2) 用鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線(xiàn)與放大器之間， 假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減微為 ，反向功率衰減為 ，且 1， 1。則 0麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。0 為加隔離器前的反射系數(shù)， 為加隔離器后的反射系數(shù)。用以改善穩(wěn)定性的隔離器應(yīng)該具有的特性是：(1) 頻帶必須很寬，要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩(wěn)定頻率范圍；(2) 反向隔離度并不要求太高；(3) 正向衰減只需保證工作頻帶之內(nèi)有較小衰減，以免影響整機(jī)噪聲系數(shù)，而工作頻帶外，則沒(méi)有要求納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。(4) 隔

25、離器本身端口駐波比要小3) 穩(wěn)定衰減器型阻性衰減器是一種簡(jiǎn)易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施，通常接在 低噪聲放大器末級(jí)輸出口， 有時(shí)也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級(jí)間， 由于衰減器 是阻型衰減，不能加在輸入口或前級(jí)的級(jí)間， 以免影響噪聲系數(shù)。 在不少情況下， 放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加 型阻性衰減器，對(duì)改善穩(wěn)定性相 當(dāng)有效。 風(fēng)攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。三、低噪聲放大器的設(shè)計(jì)3.1 放大器設(shè)計(jì)的主要流程K1 計(jì)算增在 TS和 TL 平面內(nèi)畫(huà)出在穩(wěn)定區(qū)令增益 Gma，在 f2假設(shè) S12=0 ，在頻率 f2畫(huà)出 TS和 TL 多頻率的變化曲線(xiàn)，是設(shè)計(jì)直流偏置電路，在檢驗(yàn)穩(wěn)定安排整個(gè)放大器電路核

26、實(shí)可實(shí)現(xiàn)性是否安排光刻滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。3.2 低噪聲放大管的選擇低噪聲放大器 (LNA) 是射頻微波電路接收前端的主要部分，由于他位于接收 機(jī)的最前端， 要求他的噪聲越小越好， 但又要求有一定的增益， 最小噪聲和最大 增益一般不能同時(shí)滿(mǎn)足， 獲取最小噪聲和最大功率是矛盾的， 一般電路設(shè)計(jì)總是 選擇折中的方案來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求， 以犧牲一定的增益來(lái)獲得最小噪聲， 而在射 頻微波通信電路中， 需要處理微弱的射頻微波信號(hào)， 因此， 討論合適的低噪聲放 大器電路的設(shè)計(jì)具有非常實(shí)際的意義。 鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。對(duì)微波電路中應(yīng)用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠 的動(dòng)態(tài)范圍，目前雙極型

27、低噪聲管的工作頻率可以達(dá)到幾個(gè)千兆噪聲系數(shù)為幾個(gè) 分貝，而砷化鎵小信號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在 1 分貝以下。 攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。我們?cè)谶x取低噪聲放大器管通?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行考慮：1) 微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的fT 一般要比工作頻率高 4 倍以上，現(xiàn)在 PHEMT 場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在 2GHz 可在 0.5dB 左右，工作頻率高端可達(dá)到 6GHz。 趕輾雛紈顆鋝討躍滿(mǎn)賺。2)微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動(dòng)態(tài)范圍 ,一般要求放大器工 作增益大于 10dB 以上 , 當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)最大值時(shí)由放大器非線(xiàn)性引起的交 調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲

28、，對(duì)于 ZXPCS 大基站項(xiàng)目由于最大輸入信號(hào)小于 -44dBm，考慮到放大器 13dB 左右增益，我們選取了 ATF34143 場(chǎng)效應(yīng)管它的增 益可達(dá) 15dB， OIP3為 30dBm 左右。夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。安捷倫公司的 ATF54143是一種增強(qiáng)型偽高電子遷移率晶體管 (E-pHEMT) ， 不需要負(fù)柵極電壓， 與耗盡型管相比較， 可以簡(jiǎn)化排版而且減少零件數(shù)， 該晶體 管最顯著的特點(diǎn)是低噪聲， 并具有高增益、 高線(xiàn)性度等特性， 他特別適用于工作 頻率范圍在 450 MHz 6 GHz 之間的蜂窩 PCS wCDMA 基站、無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路、 固定無(wú)線(xiàn)接入和其他高性能應(yīng)用中的第一階和第二

29、階前段低噪聲放大器電路中。 視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。本設(shè)計(jì)采用安捷倫公司的 ATF54143，ATF54143 是一種增強(qiáng)型偽高電子 遷移率晶體管 (E-pHEMT) ，具有噪聲低，增益高，線(xiàn)性范圍大等特點(diǎn)，是做 2GHz頻率低噪聲放大器的很好的選擇。查閱 ATF54143的 data sheet文件可知它的封裝模型： 偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。與典型的 D-pHEMT 不同 ,ATF45143 并不需要在門(mén)級(jí)上加負(fù)電壓偏置 , 而是 在門(mén)級(jí)加正電壓偏置。因此 ,atf54143 的偏置電路更像是雙極型晶體管的偏置電 路。但是與一般的雙極型晶體管不同 ,它的偏置電壓不是 0.7v,而是工作在大約 0

30、.6v。其封裝模型如圖 3.1 所示。 緦徑銚膾齲轎級(jí)鏜撟廟。圖 3.1ATF54143 的封裝模型ATF54143的特征：1. 高線(xiàn)性度2. 增強(qiáng)型技術(shù)3. 低噪聲系數(shù)4. 優(yōu)異的穩(wěn)定性5. 800 微米柵極寬度6. 低成本的表面小封裝 SOT_3437. 帶盤(pán)式包裝選擇在本設(shè)計(jì)中選用的典型工作點(diǎn)為： VDS=3V,IDS=60mA3.3 穩(wěn)定性計(jì)算穩(wěn)定判別公式：1- S11 - S222 S12 S21=|S11*S22-S12*S21| )3-1)查看 Data sheet 計(jì)算出在 f=2.017GHz附近時(shí)的 K 值，此時(shí)管子的 S參數(shù)如下：S11=-0.603-j*0.119S12

31、=0.052+j*0.034S21=2.135+j*6.936 S22=-0.075-j*0.145K=0.812，K1，可知該管子在該頻率附近不是絕對(duì)穩(wěn)定的，由于 AFT54143 在工作頻段內(nèi)不是絕對(duì)穩(wěn)定的， 為了提高放大器的穩(wěn)定性， 可以在輸出端并聯(lián)一 個(gè) 100 的電阻。為確保 ATF54143 在盡可能寬的頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定，這里采取源 極引入串聯(lián)感性反饋的方法， 電感采用一段很細(xì)的微帶線(xiàn)來(lái)代替。 在源極串聯(lián)電 感后，可以增加晶體管雙端口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的實(shí)部， 而虛部基本保持不變， 使其 逐漸與最佳噪聲匹配的阻抗重合； 另一方面， 增加一個(gè)無(wú)源元件不會(huì)使晶體管的 噪聲性能惡化其反饋量對(duì)于帶

32、內(nèi)帶外的電路增益、 平穩(wěn)性和輸入輸出回波損耗有 著巨大的作用。 騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。在實(shí)際電路源端電感要做適量的調(diào)節(jié)。放大器 PCB 板的設(shè)計(jì)考慮到源端的 電感量是變化的。 當(dāng)每個(gè)源端與微帶相連時(shí)， 沿著微帶線(xiàn)的任何一點(diǎn)都可以連接 到地端，要得到最低的電感值， 只需在距元件源端最近的點(diǎn)上將源端焊盤(pán)與地端 相連，并只有非常短的一段蝕刻。 放大器的每一段源端蝕刻與相應(yīng)的地端相連的 長(zhǎng)度大約有 005 英寸（是從源端邊緣與其最近的第一個(gè)地過(guò)孔邊緣間測(cè)得 ），剩 余并末使用的源端蝕刻可切斷除去。 通常，過(guò)大的源極電感量值所帶來(lái)的邊緣效 應(yīng)表現(xiàn)為超高頻端的增益值出現(xiàn)峰化及整體的合成振蕩。 為避免這種情

33、況， 在初 始 LNA 的設(shè)計(jì)原型階段，盡量準(zhǔn)確地確定源端電感的量值，并且仿真中也要調(diào) 節(jié)源端電感量的大小，找出最優(yōu)值優(yōu)化 LNA 性能 。 癘騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。3.4 輸入輸出匹配電路電路設(shè)計(jì)射頻輸入端匹配在低噪聲放大器設(shè)計(jì)中通常都起著關(guān)鍵性的作用。 其不 僅僅被用于獲得低的噪聲系數(shù)， 同時(shí)它還可以用于獲得更高的 IIP3，更高的增益 以及輸入回波損耗。 另外，由于在某些收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)中在低噪聲放大器前面通常 會(huì)有一個(gè)濾波器， 差的低噪聲放大器輸入回波損耗會(huì)惡化濾波器的性能， 從而影 響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，輸入端匹配的目的就是在保持較好的增益和 IIP3 的 同時(shí)獲取更好的回波損耗和噪聲系

34、數(shù)。 由于 ATF54143 管子在工作頻帶內(nèi)的良好 的低噪聲系數(shù)性能，在 NF0.8dB 條件下可以在設(shè)計(jì)輸入匹配中選用共軛匹配， 所以在本低噪聲放大器中選用共軛匹配的輸入網(wǎng)路。 鏃鋝過(guò)潤(rùn)啟婭澗駱讕瀘。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設(shè)計(jì)， 故在次設(shè)計(jì)中我 們采用輸出共軛匹配網(wǎng)絡(luò)。3.5 偏置電路射頻有源電路通常都需要提供直流供電網(wǎng)絡(luò)， 使射頻有源器件能工作在特定 的電壓電流下，在晶體管放大電路中， 偏置電路為晶體管提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)， 如果偏置電路設(shè)計(jì)不當(dāng)， 會(huì)影響電路的功率增益、 噪聲系數(shù)， 甚至?xí)?dǎo)致放大電 路的不穩(wěn)定。 榿貳軻謄壟該檻鯔塏賽。安捷倫公司的 ATF54143是一種增強(qiáng)型偽高電子遷移率晶體管 (E-pHEMT) ， 不需要負(fù)柵極電壓， 與耗盡型管相比較， 可以簡(jiǎn)化排版而且減少零件數(shù)， 在此設(shè) 計(jì)中柵極和漏極采用同一電源提供工作電壓。 邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。直流偏置電路為放大器提供合適的電壓和電流， 使得晶體管工作于要求的靜 態(tài)工作點(diǎn)， 并在晶體管參數(shù)和溫度變化的范圍內(nèi)， 保持靜態(tài)工作點(diǎn)的恒定。 根據(jù) 器件特性選擇最佳條件，這里選取 ATF54143 的典型直流工作點(diǎn)參數(shù)： Vds=3V， Ids=60mA；偏置的方式采用了電阻偏置，它有