低噪聲放大器設(shè)計(jì) 論文

低噪聲放大器設(shè)計(jì)摘要：微弱信號(hào)檢測(cè)就是利用近代電子學(xué)和信號(hào)處理方法從噪聲中提取有用信號(hào)，其關(guān)鍵在于抑制噪聲?；謴?fù)、增加和提取有用信號(hào)。與普通放大器相比，低噪聲放大器應(yīng)具有低得多的噪聲系數(shù)。欲使放大器獲得良好的低噪聲特性，除使用好的低噪聲器件外，還要有周密的設(shè)計(jì)。本文將從低噪聲放大器在通訊系統(tǒng)中的作用，低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)以及低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法來論述低噪聲放大器，以獲得最佳噪聲性能的低噪聲放大器。重點(diǎn)介紹了低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：低噪聲，微弱信號(hào)檢測(cè)，噪聲系數(shù)，放大器0．引言隨著現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹碓叫枰獜膹?qiáng)噪聲中檢測(cè)出有用的微弱信號(hào)，于是逐漸形成了微弱信號(hào)檢測(cè)這門新興的科學(xué)技術(shù)學(xué)科，其應(yīng)用范圍遍及光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是利用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，檢測(cè)被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)，或用一些新技術(shù)和新方法來提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比，從而提取有用信號(hào)。微弱信號(hào)檢測(cè)所針對(duì)的檢測(cè)對(duì)象，是用常規(guī)和傳統(tǒng)方法不能檢測(cè)到的微弱量。對(duì)它的研究是發(fā)展高新技術(shù)，探索及發(fā)現(xiàn)新的自然規(guī)則的重要手段，對(duì)推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，微弱信號(hào)檢測(cè)的原理、方法和設(shè)備已經(jīng)成為很多領(lǐng)域中進(jìn)行現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究不可缺少的手段。顯然，對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)理論的研究，探索新的微弱信號(hào)檢測(cè)方法，研制新的微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備是目前檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。1．低噪聲放大器在通訊系統(tǒng)中的作用隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)各種無線通訊工具的要求也越來越高，功率輻射小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營(yíng)商乃至無線通訊設(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，眾所周知，系統(tǒng)接收靈敏度的計(jì)算公式如下：S=-174+NF+10㏒BW+S/N（1）由上式可見，在各種特定（帶寬、解調(diào)S/N已定）的無線通訊系統(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)，所以低噪聲放大器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來說是至關(guān)重要的。2．低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：=2\*Arabic2.1噪聲系數(shù)NF放大器的噪聲系數(shù)NF可定義如下（2） （2）式中，NF為微波部件的噪聲系數(shù)；Sin，Nin分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率；Sout，Nout分別為輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。通常，噪聲系數(shù)用分貝數(shù)表示，此時(shí)（3） （3）（4）對(duì)單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：（4）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，Γopt、Rn和Γs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)。對(duì)多級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：NF=NF+(NF-1)/G+(NF-1)/GG+……（5）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，常常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：Te=T0(NF–1)（6）其中Te為放大器的噪聲溫度，T0=2900K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。NF(dB)=10LgNF（7）=2\*Arabic2．2放大器增益G：微波放大器功率增益有多種定義，比如資用增益、實(shí)際增益、共扼增益、單向化增益等。對(duì)于實(shí)際的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和負(fù)載都是50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗情況下實(shí)測(cè)的增益。實(shí)際測(cè)量時(shí)，常用插入法，即用功率計(jì)先測(cè)信號(hào)源能給出的功率P1；再把放大器接到信源上，用同一功率計(jì)測(cè)放大器輸出功率P2，功率增益就是（8） （8）低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)的。噪聲最佳匹配點(diǎn)并非最大增益點(diǎn)，因此增益G要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大增益大概低2－4dB。=2\*Arabic2.3輸入輸出的駐波比和反射系數(shù)：低噪聲放大器主要指標(biāo)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(jì)的，其結(jié)果會(huì)偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會(huì)很好。此外，由于微波場(chǎng)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。=2\*Arabic2.4放大器的動(dòng)態(tài)范圍（IIP3）：動(dòng)態(tài)范圍是指低噪音放大器輸入信號(hào)允許的最小功率和最大功率的范圍。動(dòng)態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。當(dāng)放大器的噪聲系數(shù)Nf給定時(shí)，輸入信號(hào)功率允許最小值是：（9） （9）其中：－微波系統(tǒng)的通頻帶(例如中頻放大器通頻帶)；M－微波系統(tǒng)允許的信號(hào)噪聲比，或信號(hào)識(shí)別系數(shù)；T0－環(huán)境溫度，293K。由公式可知，動(dòng)態(tài)范圍下限基本上取決于放大器噪聲系數(shù)，但是也和整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)和要求有關(guān)。例如，電視機(jī)信號(hào)微波中繼每信道頻帶＝40MHz，信號(hào)噪音比M＝10，放大器噪聲系數(shù)Nf=1.2(0.8dB)動(dòng)態(tài)范圍下限是。動(dòng)態(tài)范圍的上限是受非線性指標(biāo)限制，有時(shí)候要求更加嚴(yán)格些，則定義為放大器非線性特性達(dá)到指定三階交調(diào)系數(shù)時(shí)的輸入功率值。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。3．低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法：=3\*Arabic3.1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。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。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)由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲.=3\*Arabic3.2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)，如上式（4）所示，式（4）可以化成一個(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S12＝0），轉(zhuǎn)移功率增益GT可以由如下公式表示：GT=G0G1G2其中，，對(duì)于特定的晶體管S11、S22是確定的，不同的源反射系數(shù)Γ1和負(fù)載反射系數(shù)Γ2，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。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，，其中K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K大于1是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當(dāng)式（2－4）中的三個(gè)條件都滿足時(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潛在不穩(wěn)定區(qū)。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來代替，它相當(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋。2）用鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線與放大器之間，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：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；反向隔離