低噪聲放大器指南

1、低噪聲放大器設計指南1. 低噪聲放大器在通訊系統(tǒng)中的作用(1)隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對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、覆蓋范圍大已成為各運營商乃至無線通訊設備制造商的普遍追求，這就對系統(tǒng) 的接收靈敏度提出了更高的要求，我們知道，系統(tǒng)接收靈敏度的計算公式如下：Smm二-174+ XF+10 log Bff+S/N由上式可見，在各種特定(帶寬、解調S/N已圧)的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏 度的關鍵因素就是降低接收機的噪聲系數(shù)NF-而決定接收機的噪聲系數(shù)的關鍵部件就是處 于接收機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，降低

2、噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設計對整個 接收機來說是至關重要的。2. 低噪聲放大器的主要技術指標:2. 1噪聲系數(shù)NF噪聲系數(shù)的世義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即:Now(2)對單級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計算為:(3)切、Rn和rs分英中応“為晶體皆最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，別為獲得斤M時的最佳源反射系數(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)。 對多級放大器而言，苴噪聲系數(shù)的計算為：(4)XF=XF, + (XF2-1)/Gi + (XF3-1)/GiG2 +其中NK為第n級放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級放大器的增益。在某些

3、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)的換算關系為：(5)Te = To (NF - 1 )其中T為放大器的噪聲溫度，To =290K. NF為放大器的噪聲系數(shù)。(6)NF(dB) = lOLgXF2. 2放大器增益G：放大器的增益左義為放大器輸出功率與輸入功率的比值：G=P / P：n(7)從式(4)中可見，提高低噪聲放大器的增益對降低整機的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪 聲放大器的增益過高會影響整個接收機的動態(tài)范囤。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應與系統(tǒng)的整機噪聲系數(shù)、接收機動態(tài)范用等結 合起來考慮。2. 3輸入輸出的

4、駐波比：低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其輸入輸岀回路的匹配情況，我們在設訃低噪 聲放大器的匹配電路時，輸入匹配網絡一般為獲得最小噪聲而設計為接近最佳噪聲匹配網絡 而不是最佳功率匹配網絡，而輸出匹配網絡一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設計，所 以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。這種失配在某些情況下會使系統(tǒng)不穩(wěn)出，一 般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對系統(tǒng)的影響，可用插損很小的隔 離器等其他措施來解決。2. 4反射系數(shù)：由式3可知當匚=r。艸時，放大器的噪聲系數(shù)最小，XF=NFn：n t但此時從功率傳 輸?shù)慕嵌葋砜?，輸入端是失配的，所以放大器的功率增益會降低，但有?/p>

5、時候為了獲得最小 噪聲，適當?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O計中經常采用的一種辦法。2. 5放大器的動態(tài)范圍（IIP3）：在低噪聲放大器的設計中，應充分考慮整個接收機的動態(tài)范囤，以免在接收機后級造 成嚴重的非線性失真，一般應選擇低噪聲放大器的輸入三階交調點HP3較高一點，至少比 最大輸入信號高30dB,以免大信號輸入時產生非線性失賓。除以上各項外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內的增益平坦度等指標也 很重要.設訃時要認真考慮。3. 低噪聲放大器的設計方法:3.1低噪聲放大管的選擇原則對微波電路中應用的低噪聲放大管的主要要求是高境益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍 目前雙極型低噪聲管的工作頻率可

6、以達到幾個千兆噪聲系數(shù)為幾個分貝，而確化緣小信號的 場效應管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在1分貝以下。我們在選取低噪聲放大器管通?？梢詮囊韵聨讉€方而進行考慮:1）微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的幺一般要比工作頻率高4倍以上，現(xiàn)在PHEMT場效應管的噪聲系數(shù)在2GHz可在0. 5dB左右，工作頻率高端可達到 6GHz。2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態(tài)范Rt 般要求放大器工作增益大于 lOdB以上，當輸入信號達到系統(tǒng)最大值時由放大器非線性引起的交調產物小于系統(tǒng)本底噪聲，對于ZXPCS大基站項目由于最大輸入信號小于-44dBm,考慮到放大器13dB左右增益, 我們選取了

7、ATF34143場效應管它的增益可達15dB 0IP3為30dBm左右。3.2輸入輸出匹配電路的設計原則對于單級晶體管放大器的噪聲系數(shù)，如上式（3）所示，式（3）可以化成一個圓的表 達式，即等噪聲系數(shù)圓。圓上每一點代表一個能產生恒;噪聲系數(shù)NF的源反対系數(shù)。如要獲得需要的噪聲系數(shù)，只要在圓圖上畫出對應于這個噪聲系數(shù)的圓，然后將源阻抗匹配到這 個圓上的一個點就行了。實際設計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).在對放大器進行單 項化設計時(假512=0),轉移功率增益&可以由如下公式表示:GfGoG.G： 其中 Go =1$21 |2_需,，占哈對于特楚的晶體管S,是確左的, 不

8、同的源反射系數(shù)和負載反射系數(shù)r：,可以構成恒;4增益圓，設計時只須將源和負載 反射系數(shù)分別匹配到相應的圓上，便能得到相應的增益。將恒圧增益圓與等噪聲系數(shù)圓結合 起來設計，便能得到比較理想的結果。列外設汁中還要注意增益平坦設計主要是高端共軌匹 配，低端校正，一般還需在多個中間頻率上進行增益規(guī)世性校驗.在高頻應用時由于微波晶 體管本身的増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崔和穩(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)，實際中微波場效應晶體皆和雙極性 晶體管都存在內部反饋，微波管的弘就表示內部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。越大

9、，內部反饋越強，反饋量達到一泄強度時，將會引起放大器穩(wěn)世性變壞，甚至產生自激 振蕩。微波管的弘代表電壓波的正向傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。S：,越大，則放大以后的 功率越強。在同樣的反饋系數(shù)的情況下，弘越大當然反饋的功率也越強，因此S：也影響 放大器的穩(wěn)定性。一個微波管的射頻絕對穩(wěn)定條件是S|i1 S12S21S22 21|S門S21苴中D = ShS22-S角K稱為穩(wěn)崔性判別系數(shù)，K大于1是穩(wěn)宦狀態(tài)，只有當式(2-4)中的三個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。實際設訃時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)世區(qū)。為改善微波管自身穩(wěn)左性，有以下幾種方式:1）串接阻抗負反

10、饋在HESFET的源極和地之間串接一個阻抗元件，從而構成負反饋電路。對于雙極晶體管 則是在發(fā)射極經反饋元件接地。在實際的微波放大器電路中電路尺寸很小外接阻抗元件 難以實現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當于電感性元件的負反饋。2）用鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器應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。為加隔離器前的反射系數(shù).為加隔離器后的反対系數(shù)。用以改善穩(wěn)定性的隔離器應該具有的特性是:頻帶必須很寬，要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩(wěn)定頻率范用: 反向隔離度并不要求太高: 正向衰減只需保證工作頻帶之內有較小衰減，以免影響整機噪聲系數(shù)，而工 作頻帶外，則沒有要求。隔離器本身端口駐

11、波比要小。3）穩(wěn)；衰減器型阻性衰減器是一種簡易可行的改善放大器穩(wěn)崔性的措施，通常接在低噪聲放大器末級輸出口，有時也可以加在低噪聲放大器內的級間，由于衰減器是阻型衰減，不能加在輸 入口或前級的級間，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，對改善穩(wěn)定性柑當有效。3. 3電路中需要注意的一些問題一般對于低噪聲放大器采用高Q值的電感完成偏宜和匹配功能，由于電阻會產生附加 的熱噪聲，放大器的輸入端應盡量避免宜接連接到偏皆電阻上。用于低噪聲放大器的印制板應具有損耗小，易于加工，性質穩(wěn)世的特點，材料的物理 和電氣性能均勻（特別是介電常數(shù)和厚度人同時對材料的表而

12、光潔度有一定要求，通常我們可以采用以FR-4 （介電常數(shù)45之間），為基片的板材，如電路要求較高可采用以氧 化鋁陶瓷等材料為基片的微波板材，在PCB布板中則要考慮到鄰近相關電路的影響，注意濾 波、接地和外電路干擾問題設計中要滿足電磁兼容設il原則。4.目前低噪聲放大器方面的設計手段。目前低噪聲放大器的設計普遍采用CAD的方法進行仿克，國內較流行的有EESOF、MffOffice ADS等軟件。柑對而W Agilent公司的ADS功能強大、簡明直觀應用范用較廣，我公司的15A基本上都采用了 ADS進行了仿真效果良好。5.目前同行業(yè)低噪放的發(fā)展水平隨著半導體器件的發(fā)展，低噪聲放大器的性能不斷提高，

13、采用PHEMT場效應晶體管的 低噪聲放大器的在800MHz頻段噪聲系數(shù)可達到0. TdB,增益約17dB左右.1900MHz頻段噪聲系數(shù)可達到0. 6增益為15dB左右。低噪聲放大器設計指南1. 低噪聲放大器在通訊系統(tǒng)中的作用(1)隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對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、覆蓋范圍大已成為牡運營商乃至無線通訊設備制造商的普遍追求，這就對系統(tǒng) 的接收靈敏度提出了更高的要求，我們知道，系統(tǒng)接收靈敏度的計算公式如下：Smm= -174+ XF+10 log Bff+S/N由上式可見.在各種特定（帶寬、解調S/N已圧）的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏 度

14、的關鍵因素就是降低接收機的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機的噪聲系數(shù)的關鍵部件就是處 于接收機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 弱信號降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設計對整個 接收機來說是至關重要的。2. 低噪聲放大器的主要技術指標:2. 1噪聲系數(shù)NF噪聲系數(shù)的世義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即:(2)對單級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計算為:nr卩(3)切、Rn和rs分英中斤“為晶體皆最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，別為獲得胡甘的最佳源反射系數(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)。 對多級放大器而

15、言，苴噪聲系數(shù)的汁算為：NF=NF, + (XF,-1)/G, + (XF3-1)/G,G2 +(4)其中NK為第n級放大器的噪聲系數(shù)，G.為第n級放大器的增益。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)的換算關系為：(5)Te = To (NF - 1 )其中T為放大器的噪聲溫度，To =290K. NF為放大器的噪聲系數(shù)。(6)NF(dB) = lOLgXF3. 2放大器增益G：放大器的增益左義為放大器輸岀功率與輸入功率的比值：G%/P紡(7)從式(4)中可見，提高低噪聲放大器的增益對降低整機的噪聲系數(shù)非常有利，但低

16、噪 聲放大器的增益過高會影響整個接收機的動態(tài)范用。所以，一般來說低噪聲放大器的增益 確楚應與系統(tǒng)的整機噪聲系數(shù)、接收機動態(tài)范圍等結合起來考慮。3. 3輸入輸出的駐波比：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，我們在設汁低噪 聲放大器的匹配電路時，輸入匹配網絡一般為獲得最小噪聲而設計為接近最佳噪聲匹配網絡 而不是最佳功率匹配網絡，而輸出匹配網絡一般是為獲得最大功率利最低駐波比而設計，所 以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。這種失配在某些情況下會使系統(tǒng)不穩(wěn)出，一 般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對系統(tǒng)的影響，可用插損很小的隔 離器等其他措施來解決。3.

17、4反射系數(shù)：由式3可知，當r, = rM時，放大器的噪聲系數(shù)最小，XF=NFa： .但此時從功率傳 輸?shù)慕嵌葋砜?，輸入瑞是失配的，所以放大器的功率增益會降低，但有些時候為了獲得最小 噪聲，適當?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O計中經常采用的一種辦法。3. 5放大器的動態(tài)范圍(IIP3)：在低噪聲放大器的設計中，應充分考慮整個接收機的動態(tài)范囤，以免在接收機后級造 成嚴重的非線性失真，一般應選擇低噪聲放大器的輸入三階交調點HP3較高一點，至少比 最大輸入信號高30dB,以免大信號輸入時產生非線性失真。除以上各項外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內的增益平坦度等指標也 很重要，設il時要認真考慮

18、。3. 低噪聲放大器的設計方法:3.1低噪聲放大管的選擇原則對微波電路中應用的低噪聲放大管的主要要求是離增益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍, 目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達到幾個千兆噪聲系數(shù)為幾個分貝，而確化緣小信號的 場效應管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在1分貝以下。我們在選取低噪聲放大器管通?？梢詮囊韵聨讉€方而進行考慮: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-般要比工作頻率高4倍以上，現(xiàn)在PHEMT場效應管的噪聲系數(shù)在2GHz可在0. 5dB左右，工作頻率高端可達到 6GHz。2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態(tài)范羽一般要求放大器工作增益大于 lOdB以上，當輸

19、入信號達到系統(tǒng)最大值時由放大器非線性引起的交調產物小于系統(tǒng)本底噪聲，對于ZXPCS大基站項目由于最大輸入信號小于-44dBm.考慮到放大器13dB左右增益, 我們選取了 ATF34143場效應管它的增益可達15dB 0IP3為30dBm左右。3.2輸入輸出匹配電路的設計原則對于單級晶體管放大器的噪聲系數(shù)，如上式（3）所示，式（3）可以化成一個圓的表 達式，即等噪聲系數(shù)圓。圓上每一點代表一個能產生恒窪噪聲系數(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應于這個噪聲系數(shù)的圓，然后將源阻抗匹配到這 個圓上的一個點就行了。實際設il中由于要加顧到放大器的增益，通常我們不取最小噪聲 系

20、數(shù)。在對放大器進行單項化設計時（假312=0）,轉移功率增益Gt可以由如下公式表示:&=ggg 其中 Gq =1$21 |21一1卩i-in 卩如誦7崙苗 對于特楚的晶體管規(guī)確泄的,不同的源反射系數(shù)八和負載反射系數(shù)r：,可以構成恒世增益圓，設訃時只須將源和負載 反対系數(shù)分別匹配到相應的圓上，便能得到相應的增益。將恒圧增益圓與等噪聲系數(shù)圓結合 起來設計，便能得到比較理想的結果。列外設計中還要注意增益平坦設計主要是高端共軌匹 配，低端校正，一般還需在多個中間頻率上進行增益規(guī)企性校驗.在高頻應用時由于微波晶 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世和穩(wěn)泄性 可以考虎在輸

21、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)，實際中微波場效應晶體皆和雙極性 晶體笛都存在內部反饋，微波管的弘就表示內部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。越大，內部反饋越強，反饋量達到一過強度時，將會引起放大器穩(wěn)崔性變壞，甚至產生自激 振蕩。微波管的弘代表電壓波的正向傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。S：,越大，則放大以后的 功率越強。在同樣的反饋系數(shù)的情況下，弘越大當然反饋的功率也越強，因此S：,也影響 放大器的穩(wěn)泄性。一個微波管的射頻絕對穩(wěn)定條件是l-SJ - SJ + b222|S 屆 I1|ShPi-M2.S22其中D = SS22 5,2821K稱為穩(wěn)企性判別系數(shù)，

22、K大于1是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當式（2-4）中的三個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。實際設訃時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)世區(qū)。為改善微波管自身穩(wěn);性，有以下幾種方式:1）串接阻抗負反饋在HESFET的源極和地之間串接一個阻抗元件，從而構成負反饋電路。對于雙極晶體笛 則是在發(fā)射極經反饋元件接地。在實際的微波放大器電路中電路尺寸很小外接阻抗元件 難以實現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它柑當于電感性元件的負反饋。3）用鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器應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。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: 反向隔離度并不要求太高: 正向衰減只需保證工作頻帶之內有較小衰減.以免影響整機噪聲