低噪聲功率放大器設計

1、微波電子線路大作業(yè) 低噪聲功率放大器設計班級：021013班學號：02011268姓名：低噪聲放大器的設計一、設計要求：已知GaAs FET在4 GHz、50 系統(tǒng)中的S參數(shù)和噪聲參量為S11=0.660，S21=1.981，S12=0.0526，S22=0.560Fmin=1.6 dBout=0.62100RN=20 設計一個低噪聲放大器，要求噪聲系數(shù)為2 dB，并計算相應的最大增益。 若按單向化進行設計，則計算GT的最大誤差。二、低噪聲放大器設計原理及思路1.1低噪聲放大器功能概述低噪聲放大器是射頻微波系統(tǒng)的一種必不可少的部件，它緊接接收機天線，放大天線從空中接收到的微弱信號。低噪聲放大器

2、在對微弱信號放大的同時還會產(chǎn)生附加于擾信號，因此它的設計目標是低噪聲，足夠的增益，線性動態(tài)范圍寬。低噪聲放大器影響整機的噪聲系數(shù)和互調(diào)特性，分析如下（1） 系統(tǒng)接收靈敏度：（2） 多個級連網(wǎng)絡的總噪聲系數(shù)1.2 放大器工作組態(tài)分類A類放大器（導通角360度，最大理論效率50%）用于小信號、低噪聲，通常是接收機前端放大器或功率放大器的前級放大。B類（導通角180度，最大理論效率78.5%）和C類（導通角小于180度，最大理論效率大于78.5% ）放大器電源效率高，愉出信號諧波成分高，需要有外部混合電路或濾波電路由B類和C類放大器還可派生出D類、E類、P類等放大器。1.3 放大器常用元器件 兩端負

3、阻的二極管器件 變?nèi)荻O管 ：參量放大 隧道二極管：隧道效應 耿氏二極管：轉移電子 碰撞雪崩渡越時間二極管：雪崩渡越時間特點：應用于放大器電路的早期器件，制造比較容易、便宜，但是兩端口器件實現(xiàn)增益的相關電路價格確比較昂貴，且穩(wěn)定性較差，調(diào)試工作困難。 三端的晶體管器件 雙極晶體管（BJT） 金屬半導體場效應管 （MESFET） 擬晶態(tài)高電子遷移率晶體管（PHEMT） 異質(zhì)結晶體管（HBT）1.4 放大器的技術參數(shù)（1）頻率范圍：放大器的工作頻率范圍是選擇器件和電路拓撲設計的前提。（2）增益：它是放大器的基本指標。按照增益可確定放大器的級數(shù)和器件類型。 實際功率增益：負載吸收功率與二端口網(wǎng)絡輸入

4、端吸收功率之比，與源阻抗無關，與負載阻抗有關 ; 資用功率增益：二端口網(wǎng)絡輸入資用功率與輸出資用功率之比，源端和負載端均共扼匹配，與源阻抗有關，與負載阻抗無關。它表示放大器增益的最大潛力; 轉換功率增益：負載吸收功率與二端口網(wǎng)絡輸入端的資用功率之比，與兩端阻抗都有關。 實際增益測量時，常用插入法，即用功率計先測信號源能給出的功率P1；再把放大器接到信源上，用同一功率計測放大器輸出功率P2，功率增益就是 低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配進行設計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，因此增益G要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關增益。通常，相關增益比最大增益大概低24dB。（3） 噪聲系數(shù)放大器的

5、噪聲系數(shù)是輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值，表示信號經(jīng)過放大器后信號質(zhì)量的變壞程度。級聯(lián)網(wǎng)絡中，越靠前端的元件對整個噪聲系數(shù)的影響越大，在接收前端：必須做低噪聲設計。放大器的設計要遠離不穩(wěn)定區(qū)。噪聲的好壞主要取決于器件和電路設計。（4）動態(tài)范圍 放大器的線性工作范圍。最小輸入功率為接收靈敏度，最大輸入功率是引起1dB 壓縮的功率。放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度Te來表達。噪聲溫度Te與噪聲系數(shù)F的關系是 。式中T0為環(huán)境溫度，通常取為293K。根據(jù)公式，可以計算出常用的噪聲系數(shù)和與之對應的噪聲溫度。（5）非線性特性 常用三階交調(diào)截點P3rd來表征放大器電路的非線性特性，三階交調(diào)截

6、點的典型值比P1dB高10dB。（6）穩(wěn)定性 放大器電路的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的嚴格穩(wěn)定性，這一點對微波射頻電路是非常重要的，因為射頻電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向。當放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1時，不管源阻抗和負載阻抗如何，網(wǎng)絡都是穩(wěn)定的，稱為絕對穩(wěn)定；當輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時，網(wǎng)絡是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器，其負載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作。 定義：放大器在S輸入平面上絕對穩(wěn)定的充分必要條件為 放大器在L輸入平面上絕對穩(wěn)定的充分必要條件為 1.5 低噪聲放大器特性分析1、增益與負載

7、有關，輸入輸出匹配時輸出增益最大 如果輸入匹配電路和輸出匹配電路使微波器件的輸入阻抗Zin和輸出阻抗Zout都轉換到標準系統(tǒng)阻抗Z0，即Zin = Z0， Zout = Z0（或GS = G1*，GL = G2*）就可使器件的傳輸增益最高。2、輸入、輸出匹配時，噪聲并非最佳。相反有一定失配，才能實現(xiàn)噪聲最佳。對于MES FET（金屬半導體場效應晶體管）來說，其內(nèi)部噪聲源包括熱噪聲、閃爍噪聲和溝道噪聲。這幾類噪聲是相互影響的，綜合結果可歸納為本征FET柵極端口的柵極感應噪聲和漏極端口的漏極哭聲兩個等效噪聲源。這兩個等效噪聲源也是相關的，如果FET輸入口（即P1面）有一定的失配，這樣就可以調(diào)整柵極

8、感應噪聲和漏極噪聲之間的相位關系，使它們在輸出端口上相互抵消，從而降低了噪聲系數(shù)。對于雙極型晶體管也存在同樣機理。 根據(jù)分析，為獲得最小的FET本征噪聲，從FET輸入口P1面向信源方向視入的反射系數(shù)有一個最佳值，用Gout表示。當改變輸入匹配電路使呈現(xiàn) GS = Gout 此時，放大器具有最小噪聲系數(shù)Fmin，稱為最佳噪聲匹配狀態(tài)。輸入、輸出不匹配時，增益將下降。因為負載是復數(shù)，有可能在不同的負載下得到相同的輸出，經(jīng)分析在圓圖上，等增益線為一圓，這個圓叫等增益圓。 當輸入匹配電路不能使信源反射系數(shù)GS和最佳反射系數(shù)Gopt（噪聲系數(shù)最小時的反射系數(shù)）相等時，放大器噪聲將增大。由于GS是復數(shù)，不

9、同的GS值有可能得到相同的噪聲系數(shù)，在圓圖上噪聲系數(shù)等值線為一圓，叫等噪聲圓。等噪聲圓、等增益圓是我們設計輸入輸出匹配電路，尤其輸入匹配電路的依據(jù)。1.6 低噪聲放大器的設計原則 在優(yōu)先滿足噪聲小的前提下，提高電路增益，即根據(jù)輸入等增益圓、等噪聲圓，選取合適的GS ，作為輸入匹配電路設計依據(jù)。 輸出匹配電路設計以提高放大器增益為主， 滿足穩(wěn)定性條件 ： Gout = Z0 （ GL = G2*） 結構工藝上易實現(xiàn)1.7 低噪聲放大器的設計流程：三、低噪聲放大器設計過程1.1 放大器設計軟件平臺：AWR Design Environment。1.2設計步驟：創(chuàng)建原理圖； 本電路根據(jù)所給的指標參數(shù)

10、，選擇的元器件是 富士FHX35LG；（富士FHX35LG的各項指標見附錄）選擇元器件富士FHX35LG，導入數(shù)據(jù)文件，測量元器件的各項指標；a、IV特性測量電路b、IV特性c、FHX35LG的輸入輸出特性由上圖分析可知：S12特別小，應該進行單向化設計。d、增益參數(shù)e、噪聲系數(shù)由圖知：K=1，f=11.83GHz 創(chuàng)建穩(wěn)態(tài)電路測量穩(wěn)態(tài)下各項參數(shù)；a、穩(wěn)態(tài)電路圖b、穩(wěn)定調(diào)節(jié)參數(shù)：（使用優(yōu)化）c、穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)后輸入特性與加穩(wěn)定電路之前特性相比，可以看出反射系數(shù)減小，穩(wěn)定度提高。d 、穩(wěn)定后的噪聲系數(shù)由第二個圖可以看出，K =1時，f大概在4GHz左右。e、噪聲系數(shù)圓圖藍色區(qū)域為潛在不穩(wěn)定區(qū)域，由圖可

11、以看出，潛在不穩(wěn)定區(qū)域較小。 輸入匹配電路設計；a 、輸入匹配電路b、輸入匹配電路參數(shù)設置使用軟件自帶的調(diào)諧工具調(diào)整后結果C 、輸入匹配圓圖圖中制作Mark的地方為4GHz，輸入匹配成功。 輸出匹配電路設計a、輸出匹配電路b、總電路C、總電路特性噪聲在4GHz處得到抑制，噪聲系數(shù)為1.1dB；d、單向化設計輸出功率四、附件! fhx35lg.s2p 4/90! FHX35LG! 3V-10mA! .1GHZ 20GHZ 22# GHZ S MA R 50! S-parameter data .100 .996 -3.5 4.576 177.2 .002 81.2 .516 -2.5 .500

12、.994 -12.1 4.548 169.0 .012 79.3 .517 -10.2 1.000 .982 -23.5 4.471 158.5 .023 73.1 .513 -19.9 2.000 .950 -44.7 4.304 139.3 .043 57.9 .498 -38.0 3.000 .912 -64.6 4.026 121.0 .059 44.6 .483 -54.9 4.000 .867 -84.0 3.742 103.1 .071 31.8 .462 -71.9 5.000 .821 -101.6 3.436 86.6 .079 20.0 .446 -87.6 6.000

13、.783 -117.5 3.132 71.6 .085 9.8 .439 -102.2 7.000 .757 -130.9 2.881 57.9 .087 0.9 .441 -115.3 8.000 .738 -142.8 2.659 45.0 .088 -7.1 .452 -126.7 9.000 .726 -153.8 2.497 32.4 .090 -15.3 .468 -136.9 10.000 .707 -164.5 2.347 20.2 .092 -21.7 .480 -146.1 11.000 .680 -174.1 2.206 8.4 .090 -27.8 .494 -156.

14、0 12.000 .654 176.1 2.101 -3.4 .090 -35.5 .503 -164.8 13.000 .638 166.0 2.035 -15.1 .091 -42.6 .514 -173.8 14.000 .626 157.1 2.003 -26.2 .093 -49.6 .537 178.4 15.000 .607 147.8 1.975 -37.6 .094 -55.8 .559 171.0 16.000 .565 138.4 1.917 -50.1 .097 -64.7 .564 162.7 17.000 .528 127.2 1.924 -62.9 .102 -73.3 .567 154.4 18.000 .484 112.8 1.966 -77.1 .109 -86.2 .572 142.7 19.000 .421 93.5 1.932 -91.7 .116 -96.2 .581 113.1 20.000 .380 74.2 1.991 -107.4 .127