低噪放大器試驗(yàn)報(bào)告 (專業(yè))

1、西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程：射頻實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)日期：2010-11-20專業(yè)班級(jí)：信息86 交報(bào)告日期：2010-11-27姓名：薛若冰 學(xué)號(hào)：08052136實(shí)驗(yàn)名稱：低噪聲放大器(LNA)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）深入理解低噪聲放大器（LNA）的工作原理、功能、作用和性能指標(biāo)。（2）學(xué)習(xí)使用頻譜分析儀的工作原理和使用方法。（3）掌握低噪聲放大器性能指標(biāo)的的測(cè)試方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、數(shù)字示波器 TDS210 060MHz 1臺(tái)2、頻譜分析儀 GSP-827 02.7GHz 1臺(tái)3、直流穩(wěn)壓電源 SS3323 030V 1臺(tái)4、實(shí)驗(yàn)電路板 自制 1塊三、實(shí)驗(yàn)電路分析 低噪聲放大器放大器電路和印制板圖如圖所示

2、，電路板上包含兩個(gè)放大器：一個(gè)單級(jí)低噪聲放大器和一個(gè)兩級(jí)低噪聲放大器。1.匹配電路輸入匹配電路的類型可以分為共軛匹配和噪聲匹配兩種。共軛匹配是將源的反射系數(shù)通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)變換成放大器S11的共軛。由放大器單向化功率增益的計(jì)算式可知，在這種匹配下，放大器可以達(dá)到最大的單向化功率增益。而噪聲匹配是將源反射系數(shù)通過阻抗變換網(wǎng)絡(luò)變換成一個(gè)能使晶體管達(dá)到最佳噪聲性能的反射系數(shù)。由于微波晶體管的噪聲匹配和共軛匹配點(diǎn)相差較遠(yuǎn)，不能同時(shí)達(dá)到，因此需要在兩者之間做合理的折衷。在輸入匹配點(diǎn)的選擇上可以側(cè)重于噪聲匹配，并調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)（主要是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)）的元件參數(shù)，使噪聲系數(shù)盡量小。放大器的輸入匹配電路應(yīng)當(dāng)采用高

3、通阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，通過高通匹配網(wǎng)絡(luò)限制放大器在較低頻段的增益。以兩級(jí)放大器為例，輸入端高通阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)串聯(lián)電容C21和兩個(gè)并聯(lián)電感L21、L22組成。另外，C21還起到隔直流電容的作用，兩級(jí)放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響。L22另一個(gè)作用是對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極加偏置電壓。這里使用電感的作用是使得直流偏置電壓幾乎無損失的通過給管子提供偏置電壓，而對(duì)于將要放大的射頻信號(hào)來說，電感的阻抗非常大以至于射頻信號(hào)幾乎不能通過，從而達(dá)到了隔離交流和直流通路的目的。為了在射頻通路上使L21、L22、C21形成型的匹配網(wǎng)絡(luò)，L22還需要一個(gè)高頻旁路電容即C22。多級(jí)放大器的級(jí)間匹配電路的主要目的是為了盡可能減小傳輸

4、中的信號(hào)功率損失。因此第一級(jí)的輸出和第二級(jí)的輸入均需要匹配到50歐姆。輸出匹配的目的是為達(dá)到最佳的輸出反射損耗和最大增益。輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用型高通結(jié)構(gòu)，由串聯(lián)電容C36和并聯(lián)電感L33、L34組成。L23同時(shí)作為饋電用電感為管子的漏極提供偏置電壓。2.穩(wěn)定性設(shè)計(jì)在源極和地之間增加感性的串聯(lián)反饋可以對(duì)輸入反射損耗和低頻穩(wěn)定性起有利的作用。加入源極電感性反饋后，低頻的穩(wěn)定性顯著提高，同時(shí)輸入截?cái)帱c(diǎn)也增高。源極的感性反饋通常是由一段從源極引腳到地的微帶線構(gòu)成的，如圖中LL21、LL22、LL31、LL32所示，通過合適的選擇微帶線的長度可以有效的控制源極感性反饋的大小。為了提高放大器的穩(wěn)定性，通常

5、還可以在其不穩(wěn)定的端口增加一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的電阻。因此可以在級(jí)間加入型的阻性3dB衰減網(wǎng)絡(luò)。這種衰減網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是，由三個(gè)電阻（R26、R27、R28）連接成“”的形狀，從其輸入端口或輸出端口看進(jìn)去，阻抗都是50歐姆，通過網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)衰減3dB。加入衰減網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)好處是能減小級(jí)間匹配的難度。四、實(shí)驗(yàn)原理及步驟1、阻抗匹配測(cè)量測(cè)試說明：在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)須著重于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，以便求得有較低的噪聲系數(shù)及較佳的輸入返回?fù)p耗，因此設(shè)計(jì)低噪聲放大器之首要重點(diǎn)為同時(shí)對(duì)最佳信號(hào)源反射系數(shù)(opt ) 與S11 取得匹配，亦即希望opt 與S11 能取得共軛。然而對(duì)于一只晶體管在一偏壓條件下，其op

6、t 與S11 不見得皆可獲得共軛，因此在電路設(shè)計(jì)上我們可以使用共射極電感串聯(lián)反饋電路架構(gòu)。射頻電路的阻抗匹配測(cè)量和低頻電路的阻抗測(cè)量完全不同，低頻電路一般是通過測(cè)量輸入回路中的電壓、電流來求得輸入阻抗，而射頻電路是通過測(cè)量反射信號(hào)的大小來衡量阻抗匹配情況，一般是測(cè)開路時(shí)的全反射信號(hào)電平和接通負(fù)載時(shí)的反射信號(hào)電平之比，即反射損耗，反射損耗越大說明阻抗越匹配。用頻譜分析儀測(cè)量輸入阻抗匹配情況時(shí)需要一個(gè)返回?fù)p失橋（Bridge）配合工作，返回?fù)p失橋的作用是將跟蹤信號(hào)發(fā)生器TG（頻譜分析儀自帶的）輸出的正向傳輸信號(hào)和由放大器反射的反向傳輸信號(hào)分離開，由同軸電纜將反射信號(hào)送到頻譜分析儀測(cè)量電平的大小。測(cè)

7、量時(shí)應(yīng)先將開路時(shí)的全反射信號(hào)校準(zhǔn)到一個(gè)合適的電平值，校準(zhǔn)的過程實(shí)際上測(cè)量和記錄了全反射信號(hào)的大小以及返回?fù)p失橋、電纜、接頭的誤差，當(dāng)接入放大器后的反射信號(hào)幅度會(huì)由儀器利用已有記錄自動(dòng)修正返回?fù)p失橋、電纜、接頭的影響，提高測(cè)量精度。測(cè)量步驟如下：（1）電路連接。依下圖所示將頻譜分析儀架設(shè)好；將Bridge 的射頻信號(hào)輸入端口接至頻譜分析儀之TG 輸出端； 將Bridge之反射信號(hào)輸出端口利用RF Cable連接至頻譜分析儀之RF 輸入端。（2）將頻譜分析儀的中心頻率、測(cè)量范圍、分辨率頻寬 (RBW)依下圖分別設(shè)定為1.95GHz、100 MHz、3kHz。（3）頻譜分析儀的校準(zhǔn)。將連接于Brid

8、ge 之RF 輸出端的RF Cable 開路，然后依下圖所示之按鍵步驟啟動(dòng)頻譜分析之TG (Tracking Generator) 功能（在OPTION中），校正頻譜分析儀。注意：TG輸出信號(hào)的幅度可以改變，但在該實(shí)驗(yàn)中，放大器允許的輸入信號(hào)幅度比較小，信號(hào)太大時(shí)容易損壞，請(qǐng)不要超過-20dBm。（4）測(cè)量。在被測(cè)放大器的輸出端接上負(fù)載終端，將連接于Bridge 的RF 輸出端的RF Cable 接于被測(cè)電路的輸入端來量測(cè)其輸入返回?fù)p耗，記錄圖形。判讀對(duì)應(yīng)1.92GHz、1.95GHz、1.98GHz頻率點(diǎn)的反射損耗。 (5)用同樣方法測(cè)量兩級(jí)放大器。2、放大器增益與頻率特性測(cè)量 測(cè)試說明：頻

9、譜分析儀中內(nèi)置了一個(gè)跟蹤信號(hào)發(fā)生器，該信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度經(jīng)設(shè)定后保持不變，頻率則由start頻率線性的變到stop頻率，測(cè)量時(shí)該信號(hào)被加到放大器的輸入端，放大器的輸出信號(hào)接到頻譜分析儀的輸入端測(cè)量幅度，儀器自動(dòng)記錄每個(gè)頻點(diǎn)的幅度并換算成增益在屏幕上顯示出來即為幅頻特性曲線。但在接入放大器之前要先對(duì)跟蹤信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，即先將跟蹤信號(hào)的輸出接到射頻輸入口，將跟蹤信號(hào)校準(zhǔn)到到一個(gè)合適的電平值，校準(zhǔn)的過程實(shí)際上測(cè)量和記錄了跟蹤信號(hào)的大小以及返回?fù)p失橋、電纜、接頭的誤差，當(dāng)接入放大器輸出信號(hào)時(shí)，幅度會(huì)由儀器利用已有記錄自動(dòng)修正返回?fù)p失橋、電纜、接頭的影響，提高測(cè)量精度。（1）電路連接。依下圖所示將頻譜分

10、析儀架設(shè)好； 將頻譜分析儀的TG 輸出端與RF 輸入端分別藉由一個(gè)N-to-SMA 之轉(zhuǎn)接頭接上一條RF Cable。（2）儀器測(cè)量參數(shù)的設(shè)置。將頻譜分析儀之中心頻率、量測(cè)范圍、與分辨率頻寬 (RBW) 依下圖所示之按鍵步驟將其分別設(shè)定為1.95GHz、100MHz、3 kHz。（3）頻譜分析儀的校準(zhǔn)。將連接于TG 的RF Cable 與連接于RF 輸入埠的RF Cable 串接起來，然后依下圖所示之按鍵步驟啟動(dòng)頻譜分析之TG (Tracking Generator) 功能，校正頻譜分析儀。（4）測(cè)量。將連接于TG 的RF Cable 接于被測(cè)電路的輸入端， 而連接于RF 輸入端的RF Cab

11、le 接于被測(cè)電路的輸出端來測(cè)量放大器的增益和頻率特性曲線，記錄圖形，判讀對(duì)應(yīng)1.92GHz、1.95GHz、1.98GHz頻率點(diǎn)的增益。（5）用同樣方法測(cè)量兩級(jí)放大器五、結(jié)果分析1、阻抗匹配測(cè)量第一級(jí)放大器：（相對(duì)-20dbm基準(zhǔn)）1.92GHz -15dB 1.95GHz -12dB 1.98GHz -9dB第二級(jí)放大器：1.92GHz -11dB 1.95GHz -27dB 1.98GHz -13dB結(jié)論：二級(jí)放大器的反射損耗大于一級(jí)放大器，二級(jí)放大器的阻抗匹配較一級(jí)更好。2、放大器增益與頻率特性測(cè)量第一級(jí)放大器：（相對(duì)-20dbm基準(zhǔn)）1.92GHz 11dB 1.95GHz 11dB

12、 1.98GHz 11dB第二級(jí)放大器：1.92GHz 27dB 1.95GHz 27dB 1.98GHz 26dB結(jié)論：一級(jí)放大器和二級(jí)放大器的測(cè)量曲線近似一條直線，二級(jí)放大器較一級(jí)增益高。六、思考題（1）請(qǐng)說明頻譜分析儀的Amplititude下的“ref level”與TG下的”TG level”以及TG下的“ref level”有何聯(lián)系和區(qū)別？答：Amplititude即選擇與振幅相關(guān)的功能，其下的“ref level”是將該電平顯示在最上邊，使圖形上下位移，顯示設(shè)置的最高電平；TG即選擇跟蹤產(chǎn)生器，其中的“TG level”為設(shè)定的TG輸出準(zhǔn)位，“ref level可將指定準(zhǔn)位額處的增減值正規(guī)化。（2）請(qǐng)說明頻譜分析儀的“RBW”與”VBW”有何區(qū)別？答：RBW是中頻濾波器的3dB帶寬（RBW的定義是峰值信號(hào)下降3dB，這一段的帶寬值就是RBW值），設(shè)置它的大小，能決定是否能把兩個(gè)相臨很近的信號(hào)分開。VBW是峰值檢波后濾波器帶寬，主要是使測(cè)試信號(hào)更加圓滑。（3）放大器輸入端的返回?fù)p耗的測(cè)量有何意義？答：放大器輸入端的返回?fù)p耗大小反映了阻抗匹配情況，返回?fù)p耗越大阻抗匹配越好。（4）放大器各頻率點(diǎn)的增益是否相同？頻帶寬度是如何定義的？答：放大器各頻率點(diǎn)的增益在整個(gè)頻率上不同