微波低噪聲放大器課程設(shè)計(jì)

1、低噪聲放大器1.目標(biāo)(1)了解低噪聲放大器的理論和工作原理. (2)了解低噪聲放大器的設(shè)計(jì)流程. (3)通過實(shí)驗(yàn)了解低噪聲放大器的特性. 2.基礎(chǔ)理論我們已經(jīng)在第三章講述了射頻放大器的工作原理和設(shè)計(jì)流程。以第三章射頻放大器的原理為基礎(chǔ)，本章我們介紹講放大器噪聲降至最小的低噪聲放大器的原理和設(shè)計(jì)方法。在第三章講述過的穩(wěn)定性和增益的基礎(chǔ)上，噪聲系數(shù)成為超高頻設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的因素。特別的，可能的情況下，接收機(jī)應(yīng)該有一個(gè)低噪預(yù)放大器。這是因?yàn)榻邮諜C(jī)的第一級(jí)噪聲會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。但是，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)同時(shí)擁有最小噪聲系數(shù)和最大增益的放大器是不可能的。上述兩個(gè)因素相互聯(lián)系，所以我們采用一個(gè)折中的辦法

2、：在噪聲系數(shù)和增益之間選取一個(gè)固定的增益圓周和一個(gè)固定的噪聲系數(shù)。下面將介紹固定噪聲系數(shù)的相關(guān)公式以及如何利用這些公式來(lái)設(shè)計(jì)晶體管放大器。2.1固定增益圓周及特定增益設(shè)計(jì)方法為了增加帶寬或者得到一個(gè)特定的增益，通常將放大器增益設(shè)計(jì)為小于其最大允許增益。設(shè)計(jì)者可以通過設(shè)計(jì)輸入/輸出匹配電路來(lái)獲取上述小于最大增益的增益量。設(shè)計(jì)者可以簡(jiǎn)單的在史密斯圖中按照和畫一個(gè)固定的圓周從而獲得固定的增益（和）。固定增益圓周同樣可以被用來(lái)為低噪聲放大器選則特定的增益和噪聲因數(shù)。為了使大家容易理解，我們將講述單向器件的固定增益圓周畫法。在很多情況下，很小而可以被忽略，并且在這種情況下，我們假設(shè)設(shè)備具有單向行。假設(shè)趨

3、近于0，增益的轉(zhuǎn)換偏差可以被表示為：?？梢钥闯鲞@個(gè)比率的范圍是：其中，單向因子u可以表示為：通常，如果偏差在1db到幾十db之間可以認(rèn)為具有單向性。對(duì)于單向器件，和為：當(dāng)和時(shí)，上述增益有最大值，最大值為：標(biāo)準(zhǔn)化增益因子和定義為：其中，和上述標(biāo)準(zhǔn)化增益公式可以用或平面中修正和的圓表示。為了說明這一點(diǎn)，可以表示為：在等式兩邊同時(shí)加上，上述公式簡(jiǎn)化為：這代表了一個(gè)圓周，其圓心和半徑分別為：圖5.1 輸入/輸出固定增益圓周輸出固定增益圓周的結(jié)果為：每個(gè)圓周的圓心都落在以或?yàn)閮A角的直線上。當(dāng)（或）1（最大增益），半徑（或）變?yōu)?并且圓心就是（或）。2.2 噪聲系數(shù)和固定噪聲圓周加載在放大器輸入端信號(hào)和噪

4、聲被放大器以其增益放大而放大器的噪聲被加在了輸出端。因此，輸出端的snr（信噪比）比輸入端的信噪比小。輸入端與輸出端的信噪比的比值被定義為噪聲系數(shù)，從而總是大于1的。一般來(lái)說，二端口晶體管在由下式（5-11）給出的導(dǎo)納條件下，其噪聲系數(shù)有最小值。其中，=為晶體管提供的源極導(dǎo)納可以得到最小噪聲系數(shù)的最優(yōu)源極導(dǎo)納 晶體管最小噪聲系數(shù)（當(dāng)）晶體管等效噪聲源極導(dǎo)納的實(shí)部反射系數(shù)和可以用來(lái)代替和，也就是說，對(duì)于低噪聲晶體管，制造商常常按頻率提供。用功率反射系數(shù)表示功率導(dǎo)納，公式（5-11）可以化簡(jiǎn)為：根據(jù)需要的噪聲系數(shù)，利用公式（5-13）可以定義n：可以利用公式（5-13）和固定的噪聲系數(shù)獲得功率端的

5、反射系數(shù)，從而可以在史密斯圖中得到一個(gè)以為圓心以為半徑的圓，相應(yīng)公式如下：圖5.2 史密斯圖中的固定噪聲系數(shù)圓2.3最小噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)方法因?yàn)榻邮諜C(jī)第一個(gè)放大器的噪聲系系數(shù)會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，所以低噪聲放大器對(duì)于接收機(jī)來(lái)說尤為重要。在使用二端口晶體管時(shí)，為了得到最小噪聲系數(shù)，設(shè)計(jì)要要使功率反射系數(shù)與相匹配；同時(shí)，負(fù)載反射系數(shù)與的共軛復(fù)數(shù)相匹配。如下：2.4 噪聲系數(shù)與功率增益的折中和被用來(lái)得到最小噪聲系數(shù)。但是，這樣就不能與輸入導(dǎo)納相適應(yīng)從而也就不能得到最大功率增益。比如，在輸入端不匹配的情況下，放大器可能會(huì)以最小的噪聲系數(shù)反射大量的功率。因此，輸入端vswr（電壓駐波比）可以通過折中噪

6、聲系數(shù)與功率增益來(lái)獲得提高，也就是說增加噪聲系數(shù)使之大于其最小值。要達(dá)到這個(gè)目的，可以在史密斯圖中畫出固定增益圓周和固定噪聲系數(shù)圓周，并使交點(diǎn)與匹配。如圖5.3，最好的解決方法就是選擇固定增益圓周和固定噪聲系數(shù)圓周的交點(diǎn)。換句話說，在這點(diǎn)可以得到最大的增益和最小的噪聲系數(shù)。圖5.3固定增益圓周和固定噪聲系數(shù)圓周3.設(shè)計(jì)過程3.1lna設(shè)計(jì)規(guī)范頻率范圍2.2 2.7 ghz增益15 or more 2.45 ghznf（噪聲系數(shù)）1.8 and less 2.45 ghz輸入/輸出 回波損耗10 or more 2.45 ghz3.2器件選擇使用 infinion bfp540（詳見附錄“數(shù)據(jù)表

7、”）3.3 仿真過程使用ansoft designer sv第一步：建立電路圖（工程插入電路設(shè)計(jì)空白）第二步：添加襯底信息（電路加入模型數(shù)據(jù)加入襯底定義）電介質(zhì)金屬化材料電阻厚度單位h : 20 miler : 3.38tand: 0.0021(2.4ghz)銅1.724140.669mil(千分之一英寸)第三步 添加bfp540（畫圖n節(jié)點(diǎn)）第四步 設(shè)定仿真頻率范圍（電路添加分析設(shè)置）第五步 執(zhí)行仿真（電路分析）第六步 確定仿真結(jié)果（電路報(bào)告）第七步 穩(wěn)定性校驗(yàn)（電路史密斯工具）第八步 穩(wěn)定性：在晶體管輸出端口連接平行電阻器第九步 執(zhí)行仿真（電路分析）第十步 穩(wěn)定性校驗(yàn)（電路史密斯工具）第十

8、一步 選擇功率反射系數(shù)（電路史密斯工具）：ga=11.8db, nf=1.33 circle第十二步 設(shè)計(jì)輸入匹配電路（電路史密斯工具匹配符）第十三步 確定負(fù)載反射系數(shù)第十四步 設(shè)計(jì)輸出匹配電路（電路史密斯工具匹配符）第十五步 完成電路第十六步 執(zhí)行仿真（電路分析）第十七步 確定仿真結(jié)果（電路報(bào)告）最終仿真結(jié)果增益11.93dbnf（噪聲系數(shù)）1.53db輸入回波損耗12.6 db輸出回波損耗18.6 db3.4布局圖3.5測(cè)試工具及組成1）lna模塊2）網(wǎng)絡(luò)分析儀:13) 噪聲分析儀，噪聲源：14）dvm：13.6測(cè)試方法仿真由tr（bfp-540）電路獨(dú)立完成，但增益的增強(qiáng)是由把era-5sm添加到lna模塊實(shí)現(xiàn)。因此，必須注意測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果之間存在一定差異。1）使用fsk解調(diào)模塊為lna模塊添加功率；2）用dvm測(cè)量并記錄bfp-540的基極和集電極電壓；3）為網(wǎng)絡(luò)分析儀一端口功率設(shè)為-35db并且將工作范圍設(shè)定在2.2ghz到2.7ghz之間；4）利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量并記錄