浙大低噪聲放大器設(shè)計講義課件

第六講低噪聲放大器設(shè)計放大器是射頻與微波電路中最基本的有源電路模塊。常用的放大器有低噪聲放大器、寬頻帶放大器和功率放大器。本課程只討論低噪聲放大器與功率放大器。本講座針對低噪聲放大器。1第六講低噪聲放大器設(shè)計放大器是射頻與微波電路中最基本的有放大器技術(shù)指標—噪聲系數(shù)與噪聲溫度2放大器技術(shù)指標—噪聲系數(shù)與噪聲溫度2放大器技術(shù)指標—噪聲系數(shù)與噪聲溫度3放大器技術(shù)指標—噪聲系數(shù)與噪聲溫度3放大器技術(shù)指標—功率增益4放大器技術(shù)指標—功率增益4功率增益與噪聲系數(shù)5功率增益與噪聲系數(shù)5放大器技術(shù)指標—增益平坦度增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏，常用最高增益與最小增益之差，即△G(dB)表示，如下圖所示。6放大器技術(shù)指標—增益平坦度增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的放大器技術(shù)指標—工作頻帶考慮到噪音系數(shù)是主要指標，但是在寬頻帶情況下難于獲得極低噪音，所以低噪音放大器的工作頻帶一般不大寬，較多為20％上下。工作頻帶不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪音要滿足要求，并給出各頻點的噪音系數(shù)。7放大器技術(shù)指標—工作頻帶考慮到噪音系數(shù)是主要指標，但是在寬頻放大器技術(shù)指標—動態(tài)范圍8放大器技術(shù)指標—動態(tài)范圍8放大器技術(shù)指標—端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器主要指標是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設(shè)計的，其結(jié)果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會很好。此外，由于微波場效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。9放大器技術(shù)指標—端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器主要指標是噪放大器的穩(wěn)定性10放大器的穩(wěn)定性10帶有輸入、輸出匹配電路放大器的一般表示如果只關(guān)心放大器的外部特性，放大器可當作一個二端口網(wǎng)絡(luò)，其輸入、輸出之間的關(guān)系可表示為式中a1、b1分別為輸入端口P1面上的歸一化入射波、反射波電壓；a2、b2分別為輸出端口P2面的歸一化入射波、反射波電壓。11帶有輸入、輸出匹配電路放大器的一般表示如果只關(guān)心放大器的外部1、增益與負載有關(guān)，輸入輸出匹配時輸出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(zhuǎn)換到標準系統(tǒng)阻抗Z0，即Zin=Z0，Zout=Z0（或S=1*，L=2*）就可使器件的傳輸增益最高。在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓121、增益與負載有關(guān)，輸入輸出匹配時輸出最大在圓圖上表示噪聲和在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓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MESFET（金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)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(jié)果可歸納為本征FET柵極端口的柵極感應(yīng)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(guān)的，如果FET輸入口（即P1面）有一定的失配，這樣就可以調(diào)整柵極感應(yīng)噪聲和漏極噪聲之間的相位關(guān)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out表示。當改變輸入匹配電路使呈現(xiàn)S=out此時，放大器具有最小噪聲系數(shù)Nfmin，稱為最佳噪聲匹配狀態(tài)。13在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓2、輸入、輸出匹在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓輸入、輸出不匹配時，增益將下降。因為負載是復(fù)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)S和最佳反射系數(shù)opt（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S是復(fù)數(shù)，不同的S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。14在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓輸入、輸出不匹配在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓等噪聲源、等增益圓是我們設(shè)計輸入輸出匹配電路，尤其輸入匹配電路的依據(jù)。15在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓等噪聲源、等增益低噪聲放大器設(shè)計的依據(jù)與步驟依據(jù)：滿足規(guī)定的技術(shù)指標噪聲系數(shù)（或噪聲溫度）；功率增益；增益平坦度；工作頻帶；動態(tài)范圍2. 輸入、輸出為標準微帶線，其特征阻抗均為50步驟：放大器級數(shù)晶體管選擇電路拓樸結(jié)構(gòu)電路初步設(shè)計用CAD軟件進行設(shè)計、優(yōu)化、仿真模擬16低噪聲放大器設(shè)計的依據(jù)與步驟依據(jù)：16電路設(shè)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S，作為輸入匹配電路設(shè)計依據(jù)。輸出匹配電路設(shè)計以提高放大器增益為主，

out=Z0（L=2*）滿足穩(wěn)定性條件結(jié)構(gòu)工藝上易實現(xiàn)17電路設(shè)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)輸電路設(shè)計——基本電路模塊輸入匹配電路模塊 輸出匹配電路模塊低噪聲放大器一般不止一級，還有級間匹配電路模塊。18電路設(shè)計——基本電路模塊輸入匹配電路模塊 輸出匹配電路模塊輸入匹配電路——要求要求：Zout=Zopt

out=opt19輸入匹配電路——要求要求：Zout=Zopt19輸入匹配電路——結(jié)構(gòu)類型并聯(lián)導(dǎo)納型匹配電路阻抗變換型匹配電路20輸入匹配電路——結(jié)構(gòu)類型并聯(lián)導(dǎo)納型匹配電路20微帶電路拓撲結(jié)構(gòu)的選擇原則（1）微波的高頻段，比如工作頻率在X波段或更高，宜選用微帶阻抗跳變式的阻抗變換器類，（2）對于微波的低頻段，例如S波段或更低端，宜選用分支微帶結(jié)構(gòu)。（3）微波管輸入阻抗為容性時，此時s11處在史密斯圓圖下半平面，匹配電路第1個微帶元件宜用電感性微帶單元；反之，當s11處在史密斯圓圖上半平面時，宜用電容性微帶單元。（4）微波晶體管輸入總阻抗為低阻抗時，即s11處在史密斯圓圖第2、3象限，微帶變換器應(yīng)采用高特性阻抗的微帶線；反之，s11處在史密斯圓圖第1、4象限時，為高輸入阻抗，微帶變換器宜采用低特性阻抗微帶線。21微帶電路拓撲結(jié)構(gòu)的選擇原則（1）微波的高頻段，比如工作頻率在輸入匹配電路——電路拓樸結(jié)構(gòu)選擇原則以上介紹了微帶匹配電路的多種基本單元。應(yīng)該注意的是，實際放大器都有一定的工作頻帶，不同頻率時微波管有不同的輸入阻抗（即s11）。從理論上講，一個頻率點上，復(fù)數(shù)阻抗可以匹配到實數(shù)信源阻抗，而整個頻帶內(nèi)多個頻率點的復(fù)數(shù)阻抗不可能都匹配到實數(shù)信源阻抗。因此，上述各種匹配電路形式往往是綜合運用的。根據(jù)上述原則，不同輸入阻抗（即不同的s11情況），微波管的適宜電路可歸納如圖6-8所示。圖中微帶線寬度表示了微帶線特性阻抗的高或低，線越寬表示特性阻抗越低。這里所指高特性阻抗是指高于50而言，反之是指低于50。圖6-8具有不同s11的微波晶體管適宜的匹配電路結(jié)構(gòu)22輸入匹配電路——電路拓樸結(jié)構(gòu)選擇原則以上介紹了微帶匹配電路的輸入匹配電路舉例23輸入匹配電路舉例23級間匹配電路—基本要求其基本任務(wù)是使后級微波管輸入阻抗與前級微波管輸出阻抗匹配，以獲得較大增益。在達到級間共軛匹配時應(yīng)有Zin=ZT1*Zout=ZT2*圖6-10放大器的級間匹配電路由于級間匹配電路是電抗性匹配，它的輸入和輸出必然同時達到共軛匹配。如果級間電路是第1級微波管后面的電路，除了增益匹配之外，對它還有兩個要求：（1）按低噪聲設(shè)計，使第2級要有足夠低的噪聲（2）要兼顧第1級輸入駐波比。24級間匹配電路—基本要求其基本任務(wù)是使后級微波管輸入阻抗與前級級間匹配電路—第二級按低嗓聲設(shè)計第二級按低噪聲設(shè)計，使第2級要有足夠低的噪聲隨著技術(shù)的進步，第一級微波放大的噪聲越來越低。相對來說，第2級噪聲對整機的噪聲附加值愈加突出。舉例來看，具體參數(shù)是：第1級噪聲溫度 T1=25K（FdB=0.36dB）第1級相關(guān)增益 G1=12（G=11dB）第2級噪聲溫度 T2=120K（FdB=1.5dB）整機噪聲溫度 T=25+120/12=35K這時整機噪聲溫度增大10K，即增大了40%。若第2級按低噪聲設(shè)計，使T2'=40K，整機噪聲溫度T'=25+40/12=28.3K，此時整機噪聲溫度僅增大3.3K。因此，對于要求較高的低噪聲放大器，必須第2級也按低噪聲設(shè)計。25級間匹配電路—第二級按低嗓聲設(shè)計第二級按低噪聲設(shè)計，使第2級級間匹配電路—第二級設(shè)計時兼顧第1級輸入駐波比第1級設(shè)計在最佳噪聲匹配狀態(tài)下，放大器輸入駐波比一定不很好。利用微波管反向傳輸系數(shù)s12有可能適當調(diào)正第1微波管的輸入反射系數(shù)o1，見圖6-10中標注。反射系數(shù)o1是式中，1=(Zin-Z0)/(Zin+Z0)是級間匹配電路輸入反射系數(shù)；Z0=50。在級間匹配電路設(shè)計時，使之略有失配，1的變化將改變o1（公式6.27），而o1又將引起放大器輸入駐波比的變化。只要得到合適的o1，即可適當改善放大器輸入駐波比。但也應(yīng)該知道，通過s12的反饋，由于受到相位和衰減影響，僅能對放大器駐波比略有改善，不可能改善很多。26級間匹配電路—第二級設(shè)計時兼顧第1級輸入駐波比第1級設(shè)計在最級間匹配電路—典型的幾種級間匹配電路27級間匹配電路—典型的幾種級間匹配電路27輸出匹配電路—基本要求輸出匹配電路的基本任務(wù)是把微波管復(fù)數(shù)輸出阻抗匹配到負載實數(shù)阻抗50。圖6-12放大器輸出匹配電路輸出匹配電路應(yīng)解決的目標有以下幾項。1、提高增益2、改善整機增益平坦度3、滿足放大器輸出駐波比4、發(fā)送放大器穩(wěn)定性28輸出匹配電路—基本要求輸出匹配電路的基本任28輸出匹配電路—提高增益輸出電路和輸入電路的區(qū)別僅是右端為實數(shù)負載，只要把圖6-7和圖6-6中的匹配單元倒轉(zhuǎn)過來使用即可。由于放大器具有一定寬度的工作頻帶，不可能全頻帶內(nèi)都達到共軛匹配，尤其是對于存在潛在不穩(wěn)定的微波管更不可能達到共軛匹配。因此輸出匹配電路設(shè)計的目標是在保持穩(wěn)定的前提下有盡可能高的增益。低噪聲放大器總增益至少要大于30dB，才能抑制掉后級電路設(shè)備噪聲的影響。有時低噪聲放大器后接數(shù)十米長電纜或后級設(shè)備噪聲很大，尤其在整機噪聲要求嚴格時，總增益要求都在40~50dB以上。當輸出電路與微波管達到共軛匹配時，即Zin=ZT*時，功率增益最高。電路結(jié)構(gòu)形式可參見輸入電路基本單元圖6-8和圖6-9。29輸出匹配電路—提高增益輸出電路和輸入電路的區(qū)別僅是右端為實數(shù)輸出匹配電路—改善整機增益平坦度微波晶體管的自身增益都是隨頻率升高而下降，下降比例大體上是每倍頻程下降6dB。放大器前兩級的主要目標是最佳噪聲匹配，因此頻帶內(nèi)功率增益隨頻率變化曲線是向右下傾斜，因而末級放大增益特性曲線必須向右上傾斜才能彌補整個放大器增益的不平度。如果增益不平度較大，而且末級還要照顧到駐波比指標，這就需要兩級甚至三級才能校正前級增益的下跌傾斜。這就是低噪聲放大器經(jīng)常包含4級或5級的原因。其實，如果只有噪聲這一項要求，放大器增益為40~50dB時，后級噪聲影響已完全不存在了。但是，為了增益平坦，必須級數(shù)較多，這時總增益可能要高達60~70dB。30輸出匹配電路—改善整機增益平坦度微波晶體管的自身增益都是隨頻輸出匹配電路—改善整機增益平坦度圖6-13（b）中的虛線是未加陷波電路時的頻帶特性，實線是加陷波器以后的頻帶特性。陷波電路只能適當調(diào)整頻帶形狀，它是電抗性單元，只能用于末級或末前級，不能用于前級。若用于前級，相位不合適時，會使輸入駐波比變壞，甚至放大器不穩(wěn)定。圖6-13陷波電路（a）陷波電路；（b）幅頻特性的改善。為獲得良好頻帶特性，有時要加陷波電路或吸收電路，如圖6-13所示。陷波電路就是一段g/4的終端開路微帶線，并聯(lián)在輸出電路任意處，見圖6-13（a）；l是待吸收頻率的波長。31輸出匹配電路—改善整機增益平坦度圖6-13（b）中的虛線是未輸出匹配電路—滿足放大器輸出駐波比輸出駐波比的指標主要是靠輸出匹配電路解決。一般的微波管s22比s11要小些，所以比較容易達到良好匹配。匹配完善時，輸出駐波比很小，但增益又成為向右上傾斜，因此要兼顧這兩項指標。如果是5級放大器，末級可以只考慮駐波比，而增益平坦度指標由末前2級承擔(dān)。32輸出匹配電路—滿足放大器輸出駐波比輸出駐波比的指標主要是靠輸輸出匹配電路—改善放大器穩(wěn)定性通過對R阻值和分支微帶特性阻抗Zr的調(diào)整，可以控制頻帶形狀和對增益壓縮的大小，這樣就能使傾斜增益得以校正，而且對帶外增益抑制更多。由于有阻性損耗，就比純電抗匹配法對駐波比的影響小，更有利于改善輸出駐波比。有耗網(wǎng)絡(luò)匹配方法，將對放大電路引入電阻熱噪聲，因此只能用于輸出電路，不能用于前級。圖6-14用有耗匹配電路改善穩(wěn)定性前述匹配電路大都是電抗性匹配。如果加入電阻就形成有耗匹配，例如圖6-14所示。在主微帶線上并聯(lián)電阻R，電阻R后面再接一段u/4的微帶線，微帶線終端通過電容C構(gòu)成微波接地。u是頻帶內(nèi)高端頻率fu的波長。在頻率fu時，由于u/4的作用，電阻無損耗；在頻率低于fu時，相當于在主線上并聯(lián)一個包含電阻損耗的分支電路。頻率偏離fu越多，損耗越大，增益就越低。33輸出匹配電路—改善放大器穩(wěn)定性通過對R阻值和分支微帶特性阻抗放大器整體電路圖6-15給出一個完整的C波段低噪聲放大器微波電路。為了便于分析，圖中未畫出偏置電壓的引線和電源部分的電阻電容元件。圖6-15四級低噪聲放大器微帶電路第1級FET按最佳噪聲要求設(shè)計。第2級也是最佳噪聲設(shè)計。第3級和第4級用直接移相線段作級間匹配電路。34放大器整體電路圖6-15給出一個完整的C波段低噪聲放大器微波放大器整體電路—微帶電路部分第1級FET按最佳噪聲要求設(shè)計。為了改善穩(wěn)定性，在FET的兩個源極和地之間各串聯(lián)一段微帶線構(gòu)成串聯(lián)負反饋。負反饋微帶接地方式是在基片上打孔，基片是聚四氟乙烯纖維板，孔壁金屬化后與底面金屬地層接通。柵偏壓由扇線短路點引入，短路點上焊裝了穩(wěn)定電阻，用以抑制頻帶外過高增益，增加放大器的穩(wěn)定性。主微帶線兩側(cè)各加有一排方形小塊，是微調(diào)小島。可用焊錫把一部分小島聯(lián)通，用以改變主微帶線寬度。微調(diào)小島一般置于電路敏感度高的地方，可用來微調(diào)電路，從而可補償有源元件和焊裝的工藝參數(shù)離散性。第2級也是最佳噪聲設(shè)計。第1級和第2級之間用兩個分支電路進行匹配。第2級FET也加了源極串聯(lián)負反饋。兩根細微帶都是偏置電流引入線。開路分支頂端有一排小島，可用來微調(diào)分支微帶長度。第3級和第4級用直接移相線段作級間匹配電路。這兩級采用另一種型號的FET，未加負反饋。電路中的橫向縫隙是直流斷開點，用于焊裝隔直流電容器。C波段隔直流電容常用20~100pF片式電容器。電容器在焊裝前都要用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其微波S參數(shù)，以確保隔直流電容器在工作頻段內(nèi)損耗足夠小。35放大器整體電路—微帶電路部分第1級FET按最佳噪聲要求設(shè)計。放大器整體電路—偏壓供電電路部分圖6-16是該放大器電原理電路，對低頻和直流供電電路來說，微帶線呈直通特性。本電路采用雙電源供電。所謂雙電源是指漏極正電壓和柵極負電壓分別由正壓和負壓兩個電源供電。外加電源15V，經(jīng)1N4001保護二極管，用集成穩(wěn)壓塊M1（此處為7805）獲得穩(wěn)定電壓正5V。分別經(jīng)Rd1、Rd2、Rd3、Rd4降壓后加到4個FET的漏極。在微帶電路上是加在偏置微帶線的零電位點，使之不影響微波電路。調(diào)整各個Rd即分別控制了各FET的漏極電壓。通常低噪聲MESFET漏極工作電壓為3V，電流為10Ma；HEMT的漏極電壓為2V。36放大器整體電路—偏壓供電電路部分圖6-16是該放大器電原理電放大器整體電路—偏壓供電電路部分Rg1、Rg2、Rg3、Rg4是調(diào)整低噪聲放大器的重要元件。微帶電路制作好了以后，較難調(diào)整。如果用CAD軟件經(jīng)過仔細設(shè)計的電路，有時微帶電路元件無需調(diào)整。這時微波管的直流工作點就成了唯一可調(diào)參數(shù)。改變各個電阻Rg就可以改變各微波管的直流工作點，從而改變了微波管S參數(shù)，使放大器得以微調(diào)。柵負壓減低時（向更負電壓方向調(diào)整），漏極電流減小，F(xiàn)ET的s21下降，增益下降。同時，由于改變工作點電流時s11和s22也都有變化，因此Rg可以對增益平坦度和噪聲特性都能進行有效調(diào)整。穩(wěn)壓塊M1輸出的正5V電壓經(jīng)倒置穩(wěn)壓塊M2變換成負5V。分別經(jīng)Rg1、Rg2、Rg3、Rg4和820電阻分壓后供給各微波管柵極負電壓。低噪聲微波FET柵負壓一般是–1V左右，柵極電流可認為是零。對于雙極型微波晶體管，有基極電流但也不大。37放大器整體電路—偏壓供電電路部分Rg1、Rg2、Rg3、Rg放大器整體電路—偏壓供電電路部分 圖6-17放大器自生偏壓電路微波管源極串接電阻R和電容C之后接地。電容C對微波短路。電阻R上的負電壓通過輸入匹配電路接地T分支微帶加到柵極。盡管R和C都用微型片式元件，形式雖小但仍然有一定尺寸，而且焊接點也不可能緊貼微波管殼，這就相當于存在串聯(lián)微帶式的負反饋。此外電容的接地不良還會引起電阻性負反饋。自生偏壓供電方式電路結(jié)構(gòu)簡單，但對噪聲有一定影響。單電源供電一般用于較低微波段，以及對噪聲指標要求不太嚴格的放大器。有些放大器采用單電源供電，即外電源只提供一組正電壓。柵極負電壓由源極自偏置電路產(chǎn)生，如圖6-17所示。38放大器整體電路—偏壓供電電路部分 圖6低噪聲放大器版圖示例圖6-18是光刻工藝完成的原始電路板，尚未焊裝FET和直流供電電路元件。白色是微帶線條，各黑色小點是通孔，孔壁金屬化與地板導(dǎo)通。主微帶電路正中部位的縫隙處焊接微型隔直流電容，左右兩個正方小空間焊裝微波晶體管。圖6-18低噪聲放大器微帶版圖實例圖6-18給出了一個兩級低噪聲放大器微帶版圖實例。此放大器用于微波中繼通信站接收設(shè)備前端，頻率為f=3.7~4.2GHz；包含鐵氧體器損耗的噪聲系數(shù)為1dB；功率增益G=230.5dB。39低噪聲放大器版圖示例圖6-18是光刻工藝完成的原始電路板，尚放大器外盒與機械結(jié)構(gòu)盒體常用鋁合金整體壓鑄造成形，單件試制時有時用鋁材銑挖成盒。盒內(nèi)寬度A是個關(guān)鍵尺寸，必須滿足式中H是工作頻段高端頻率的波長。為進一步減小每級之間的耦合，各級之間加有金屬隔板，隔板置于微波管的位置上，隔板下面有凹槽，騎在微波管上。為滿足公式（6-29），在頻率較高時，盒體寬度可能很小，此時偏置電路將無處安置。一種方式是把偏置電路阻容元件放置在微帶基板反面；另一種方式如圖6-20所示。微帶電路設(shè)計在槽寬為A的內(nèi)盒中，寬度A滿足截止波導(dǎo)公式（6-29）的要求。在寬度為B的兩條外側(cè)盒槽中設(shè)置偏壓電路各元件，饋電引線可在中間縱向隔板開槽孔或用穿心電容引入。圖6-19微波放大器盒體結(jié)構(gòu) 圖6-20微帶放大器屏蔽盒的一種形式盒體上蓋與盒體之間夾有一層或兩層金屬網(wǎng)，以保證上蓋與盒體邊框的緊密接觸。40放大器外盒與機械結(jié)構(gòu)盒體常用鋁合金整體壓鑄造成形，單件試制時用ADS軟件設(shè)計低噪聲放大器41用ADS軟件設(shè)計低噪聲放大器41第六講低噪聲放大器設(shè)計放大器是射頻與微波電路中最基本的有源電路模塊。常用的放大器有低噪聲放大器、寬頻帶放大器和功率放大器。本課程只討論低噪聲放大器與功率放大器。本講座針對低噪聲放大器。42第六講低噪聲放大器設(shè)計放大器是射頻與微波電路中最基本的有放大器技術(shù)指標—噪聲系數(shù)與噪聲溫度43放大器技術(shù)指標—噪聲系數(shù)與噪聲溫度2放大器技術(shù)指標—噪聲系數(shù)與噪聲溫度44放大器技術(shù)指標—噪聲系數(shù)與噪聲溫度3放大器技術(shù)指標—功率增益45放大器技術(shù)指標—功率增益4功率增益與噪聲系數(shù)46功率增益與噪聲系數(shù)5放大器技術(shù)指標—增益平坦度增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏，常用最高增益與最小增益之差，即△G(dB)表示，如下圖所示。47放大器技術(shù)指標—增益平坦度增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的放大器技術(shù)指標—工作頻帶考慮到噪音系數(shù)是主要指標，但是在寬頻帶情況下難于獲得極低噪音，所以低噪音放大器的工作頻帶一般不大寬，較多為20％上下。工作頻帶不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪音要滿足要求，并給出各頻點的噪音系數(shù)。48放大器技術(shù)指標—工作頻帶考慮到噪音系數(shù)是主要指標，但是在寬頻放大器技術(shù)指標—動態(tài)范圍49放大器技術(shù)指標—動態(tài)范圍8放大器技術(shù)指標—端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器主要指標是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設(shè)計的，其結(jié)果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會很好。此外，由于微波場效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。50放大器技術(shù)指標—端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器主要指標是噪放大器的穩(wěn)定性51放大器的穩(wěn)定性10帶有輸入、輸出匹配電路放大器的一般表示如果只關(guān)心放大器的外部特性，放大器可當作一個二端口網(wǎng)絡(luò)，其輸入、輸出之間的關(guān)系可表示為式中a1、b1分別為輸入端口P1面上的歸一化入射波、反射波電壓；a2、b2分別為輸出端口P2面的歸一化入射波、反射波電壓。52帶有輸入、輸出匹配電路放大器的一般表示如果只關(guān)心放大器的外部1、增益與負載有關(guān)，輸入輸出匹配時輸出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(zhuǎn)換到標準系統(tǒng)阻抗Z0，即Zin=Z0，Zout=Z0（或S=1*，L=2*）就可使器件的傳輸增益最高。在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓531、增益與負載有關(guān)，輸入輸出匹配時輸出最大在圓圖上表示噪聲和在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓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MESFET（金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)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(jié)果可歸納為本征FET柵極端口的柵極感應(yīng)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(guān)的，如果FET輸入口（即P1面）有一定的失配，這樣就可以調(diào)整柵極感應(yīng)噪聲和漏極噪聲之間的相位關(guān)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out表示。當改變輸入匹配電路使呈現(xiàn)S=out此時，放大器具有最小噪聲系數(shù)Nfmin，稱為最佳噪聲匹配狀態(tài)。54在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓2、輸入、輸出匹在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓輸入、輸出不匹配時，增益將下降。因為負載是復(fù)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)S和最佳反射系數(shù)opt（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S是復(fù)數(shù)，不同的S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。55在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓輸入、輸出不匹配在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓等噪聲源、等增益圓是我們設(shè)計輸入輸出匹配電路，尤其輸入匹配電路的依據(jù)。56在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓等噪聲源、等增益低噪聲放大器設(shè)計的依據(jù)與步驟依據(jù)：滿足規(guī)定的技術(shù)指標噪聲系數(shù)（或噪聲溫度）；功率增益；增益平坦度；工作頻帶；動態(tài)范圍2. 輸入、輸出為標準微帶線，其特征阻抗均為50步驟：放大器級數(shù)晶體管選擇電路拓樸結(jié)構(gòu)電路初步設(shè)計用CAD軟件進行設(shè)計、優(yōu)化、仿真模擬57低噪聲放大器設(shè)計的依據(jù)與步驟依據(jù)：16電路設(shè)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S，作為輸入匹配電路設(shè)計依據(jù)。輸出匹配電路設(shè)計以提高放大器增益為主，

out=Z0（L=2*）滿足穩(wěn)定性條件結(jié)構(gòu)工藝上易實現(xiàn)58電路設(shè)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)輸電路設(shè)計——基本電路模塊輸入匹配電路模塊 輸出匹配電路模塊低噪聲放大器一般不止一級，還有級間匹配電路模塊。59電路設(shè)計——基本電路模塊輸入匹配電路模塊 輸出匹配電路模塊輸入匹配電路——要求要求：Zout=Zopt

out=opt60輸入匹配電路——要求要求：Zout=Zopt19輸入匹配電路——結(jié)構(gòu)類型并聯(lián)導(dǎo)納型匹配電路阻抗變換型匹配電路61輸入匹配電路——結(jié)構(gòu)類型并聯(lián)導(dǎo)納型匹配電路20微帶電路拓撲結(jié)構(gòu)的選擇原則（1）微波的高頻段，比如工作頻率在X波段或更高，宜選用微帶阻抗跳變式的阻抗變換器類，（2）對于微波的低頻段，例如S波段或更低端，宜選用分支微帶結(jié)構(gòu)。（3）微波管輸入阻抗為容性時，此時s11處在史密斯圓圖下半平面，匹配電路第1個微帶元件宜用電感性微帶單元；反之，當s11處在史密斯圓圖上半平面時，宜用電容性微帶單元。（4）微波晶體管輸入總阻抗為低阻抗時，即s11處在史密斯圓圖第2、3象限，微帶變換器應(yīng)采用高特性阻抗的微帶線；反之，s11處在史密斯圓圖第1、4象限時，為高輸入阻抗，微帶變換器宜采用低特性阻抗微帶線。62微帶電路拓撲結(jié)構(gòu)的選擇原則（1）微波的高頻段，比如工作頻率在輸入匹配電路——電路拓樸結(jié)構(gòu)選擇原則以上介紹了微帶匹配電路的多種基本單元。應(yīng)該注意的是，實際放大器都有一定的工作頻帶，不同頻率時微波管有不同的輸入阻抗（即s11）。從理論上講，一個頻率點上，復(fù)數(shù)阻抗可以匹配到實數(shù)信源阻抗，而整個頻帶內(nèi)多個頻率點的復(fù)數(shù)阻抗不可能都匹配到實數(shù)信源阻抗。因此，上述各種匹配電路形式往往是綜合運用的。根據(jù)上述原則，不同輸入阻抗（即不同的s11情況），微波管的適宜電路可歸納如圖6-8所示。圖中微帶線寬度表示了微帶線特性阻抗的高或低，線越寬表示特性阻抗越低。這里所指高特性阻抗是指高于50而言，反之是指低于50。圖6-8具有不同s11的微波晶體管適宜的匹配電路結(jié)構(gòu)63輸入匹配電路——電路拓樸結(jié)構(gòu)選擇原則以上介紹了微帶匹配電路的輸入匹配電路舉例64輸入匹配電路舉例23級間匹配電路—基本要求其基本任務(wù)是使后級微波管輸入阻抗與前級微波管輸出阻抗匹配，以獲得較大增益。在達到級間共軛匹配時應(yīng)有Zin=ZT1*Zout=ZT2*圖6-10放大器的級間匹配電路由于級間匹配電路是電抗性匹配，它的輸入和輸出必然同時達到共軛匹配。如果級間電路是第1級微波管后面的電路，除了增益匹配之外，對它還有兩個要求：（1）按低噪聲設(shè)計，使第2級要有足夠低的噪聲（2）要兼顧第1級輸入駐波比。65級間匹配電路—基本要求其基本任務(wù)是使后級微波管輸入阻抗與前級級間匹配電路—第二級按低嗓聲設(shè)計第二級按低噪聲設(shè)計，使第2級要有足夠低的噪聲隨著技術(shù)的進步，第一級微波放大的噪聲越來越低。相對來說，第2級噪聲對整機的噪聲附加值愈加突出。舉例來看，具體參數(shù)是：第1級噪聲溫度 T1=25K（FdB=0.36dB）第1級相關(guān)增益 G1=12（G=11dB）第2級噪聲溫度 T2=120K（FdB=1.5dB）整機噪聲溫度 T=25+120/12=35K這時整機噪聲溫度增大10K，即增大了40%。若第2級按低噪聲設(shè)計，使T2'=40K，整機噪聲溫度T'=25+40/12=28.3K，此時整機噪聲溫度僅增大3.3K。因此，對于要求較高的低噪聲放大器，必須第2級也按低噪聲設(shè)計。66級間匹配電路—第二級按低嗓聲設(shè)計第二級按低噪聲設(shè)計，使第2級級間匹配電路—第二級設(shè)計時兼顧第1級輸入駐波比第1級設(shè)計在最佳噪聲匹配狀態(tài)下，放大器輸入駐波比一定不很好。利用微波管反向傳輸系數(shù)s12有可能適當調(diào)正第1微波管的輸入反射系數(shù)o1，見圖6-10中標注。反射系數(shù)o1是式中，1=(Zin-Z0)/(Zin+Z0)是級間匹配電路輸入反射系數(shù)；Z0=50。在級間匹配電路設(shè)計時，使之略有失配，1的變化將改變o1（公式6.27），而o1又將引起放大器輸入駐波比的變化。只要得到合適的o1，即可適當改善放大器輸入駐波比。但也應(yīng)該知道，通過s12的反饋，由于受到相位和衰減影響，僅能對放大器駐波比略有改善，不可能改善很多。67級間匹配電路—第二級設(shè)計時兼顧第1級輸入駐波比第1級設(shè)計在最級間匹配電路—典型的幾種級間匹配電路68級間匹配電路—典型的幾種級間匹配電路27輸出匹配電路—基本要求輸出匹配電路的基本任務(wù)是把微波管復(fù)數(shù)輸出阻抗匹配到負載實數(shù)阻抗50。圖6-12放大器輸出匹配電路輸出匹配電路應(yīng)解決的目標有以下幾項。1、提高增益2、改善整機增益平坦度3、滿足放大器輸出駐波比4、發(fā)送放大器穩(wěn)定性69輸出匹配電路—基本要求輸出匹配電路的基本任28輸出匹配電路—提高增益輸出電路和輸入電路的區(qū)別僅是右端為實數(shù)負載，只要把圖6-7和圖6-6中的匹配單元倒轉(zhuǎn)過來使用即可。由于放大器具有一定寬度的工作頻帶，不可能全頻帶內(nèi)都達到共軛匹配，尤其是對于存在潛在不穩(wěn)定的微波管更不可能達到共軛匹配。因此輸出匹配電路設(shè)計的目標是在保持穩(wěn)定的前提下有盡可能高的增益。低噪聲放大器總增益至少要大于30dB，才能抑制掉后級電路設(shè)備噪聲的影響。有時低噪聲放大器后接數(shù)十米長電纜或后級設(shè)備噪聲很大，尤其在整機噪聲要求嚴格時，總增益要求都在40~50dB以上。當輸出電路與微波管達到共軛匹配時，即Zin=ZT*時，功率增益最高。電路結(jié)構(gòu)形式可參見輸入電路基本單元圖6-8和圖6-9。70輸出匹配電路—提高增益輸出電路和輸入電路的區(qū)別僅是右端為實數(shù)輸出匹配電路—改善整機增益平坦度微波晶體管的自身增益都是隨頻率升高而下降，下降比例大體上是每倍頻程下降6dB。放大器前兩級的主要目標是最佳噪聲匹配，因此頻帶內(nèi)功率增益隨頻率變化曲線是向右下傾斜，因而末級放大增益特性曲線必須向右上傾斜才能彌補整個放大器增益的不平度。如果增益不平度較大，而且末級還要照顧到駐波比指標，這就需要兩級甚至三級才能校正前級增益的下跌傾斜。這就是低噪聲放大器經(jīng)常包含4級或5級的原因。其實，如果只有噪聲這一項要求，放大器增益為40~50dB時，后級噪聲影響已完全不存在了。但是，為了增益平坦，必須級數(shù)較多，這時總增益可能要高達60~70dB。71輸出匹配電路—改善整機增益平坦度微波晶體管的自身增益都是隨頻輸出匹配電路—改善整機增益平坦度圖6-13（b）中的虛線是未加陷波電路時的頻帶特性，實線是加陷波器以后的頻帶特性。陷波電路只能適當調(diào)整頻帶形狀，它是電抗性單元，只能用于末級或末前級，不能用于前級。若用于前級，相位不合適時，會使輸入駐波比變壞，甚至放大器不穩(wěn)定。圖6-13陷波電路（a）陷波電路；（b）幅頻特性的改善。為獲得良好頻帶特性，有時要加陷波電路或吸收電路，如圖6-13所示。陷波電路就是一段g/4的終端開路微帶線，并聯(lián)在輸出電路任意處，見圖6-13（a）；l是待吸收頻率的波長。72輸出匹配電路—改善整機增益平坦度圖6-13（b）中的虛線是未輸出匹配電路—滿足放大器輸出駐波比輸出駐波比的指標主要是靠輸出匹配電路解決。一般的微波管s22比s11要小些，所以比較容易達到良好匹配。匹配完善時，輸出駐波比很小，但增益又成為向右上傾斜，因此要兼顧這兩項指標。如果是5級放大器，末級可以只考慮駐波比，而增益平坦度指標由末前2級承擔(dān)。73輸出匹配電路—滿足放大器輸出駐波比輸出駐波比的指標主要是靠輸輸出匹配電路—改善放大器穩(wěn)定性通過對R阻值和分支微帶特性阻抗Zr的調(diào)整，可以控制頻帶形狀和對增益壓縮的大小，這樣就能使傾斜增益得以校正，而且對帶外增益抑制更多。由于有阻性損耗，就比純電抗匹配法對駐波比的影響小，更有利于改善輸出駐波比。有耗網(wǎng)絡(luò)匹配方法，將對放大電路引入電阻熱噪聲，因此只能用于輸出電路，不能用于前級。圖6-14用有耗匹配電路改善穩(wěn)定性前述匹配電路大都是電抗性匹配。如果加入電阻就形成有耗匹配，例如圖6-14所示。在主微帶線上并聯(lián)電阻R，電阻R后面再接一段u/4的微帶線，微帶線終端通過電容C構(gòu)成微波接地。u是頻帶內(nèi)高端頻率fu的波長。在頻率fu時，由于u/4的作用，電阻無損耗；在頻率低于fu時，相當于在主線上并聯(lián)一個包含電阻損耗的分支電路。頻率偏離fu越多，損耗越大，增益就越低。74輸出匹配電路—改善放大器穩(wěn)定性通過對R阻值和分支微帶特性阻抗放大器整體電路圖6-15給出一個完整的C波段低噪聲放大器微波電路。為了便于分析，圖中未畫出偏置電壓的引線和電源部分的電阻電容元件。圖6-15四級低噪聲放大器微帶電路第1級FET按最佳噪聲要求設(shè)計。第2級也是最佳噪聲設(shè)計。第3級和第4級用直接移相線段作級間匹配電路。75放大器整體電路圖6-15給出一個完整的C波段低噪聲放大器微波放大器整體電路—微帶電路部分第1級FET按最佳噪聲要求設(shè)計。為了改善穩(wěn)定性，在FET的兩個源極和地之間各串聯(lián)一段微帶線構(gòu)成串聯(lián)負反饋。負反饋微帶接地方式是在基片上打孔，基片是聚四氟乙烯纖維板，孔壁金屬化后與底面金屬地層接通。柵偏壓由扇線短路點引入，短路點上焊裝了穩(wěn)定電阻，用以抑制頻帶外過高增益，增加放大器的穩(wěn)定性。主微帶線兩側(cè)各加有一排方形小塊，是微調(diào)小島。可用焊錫把一部分小島聯(lián)通，用以改變主微帶線寬度。微調(diào)小島一般置于電路敏感度高的地方，可用來微調(diào)電路，從而可補償有源元件和焊裝的工藝參數(shù)離散性。第2級也是最佳噪聲設(shè)計。第1級和第2級之間用兩個分支電路進行匹配。第2級FET也加了源極串聯(lián)負反饋。兩根細微帶都是偏置電流引入線。開路分支頂端有一排小島，可用來微調(diào)分支微帶長度。第3級和第4級用直接移相線段作級間匹配電路。這兩級采用另一種型號的FET，未加負反饋。電路中的橫向縫隙是直流斷開點，用于焊裝隔直流電容器。C波段隔直流電容常用20~100pF片式電容器。電容器在焊裝前都要用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其微波S參數(shù)，以確保隔直流電容器在工作頻段內(nèi)損耗足夠小。76放大器整體電路—微帶電路部分第1級FET按最佳噪聲要求設(shè)計。放大器整體電路—偏壓供電電路部分圖6-16是該放大器電原理電路，對低頻和直流供電電路來說，微帶線呈直通特性。本電路采用雙電源供電。所謂雙電源是指漏極正電壓和柵極負電壓分別由正壓和負壓兩個電源供電。外加電源1