低噪聲功率放大器設(shè)計

1、1微波電子線路大作業(yè)低噪聲功率放大器設(shè)計班級：021013班學(xué)號：02011268姓名：設(shè)計要求:低噪聲放大器的設(shè)計已知GaAsFET在4GHz、50Q系統(tǒng)中的S參數(shù)和噪聲參量為Sll=Z60,S21=Z81,S12=Z26,S22=Z60Fmin=dBout=Z100RN=20Q設(shè)計一個低噪聲放大器，要求噪聲系數(shù)為2dB,并計算相應(yīng)的最大增益。若按單向化進行設(shè)計，則計算GT的最大誤差。二、低噪聲放大器設(shè)計原理及思路低噪聲放大器功能概述低噪聲放大器是射頻/微波系統(tǒng)的一種必不可少的部件，它緊接接收機天線，放大天線從空中接收到的微弱信號。低噪聲放大器在對微弱信號放大的同時還會產(chǎn)生附加于擾信號，因此

2、它的設(shè)計目標(biāo)是低噪聲，足夠的增益，線性動態(tài)范圍寬。低噪聲放大器影響整機的噪聲系數(shù)和互調(diào)特性，分析如下（1）系統(tǒng)接收靈敏度:=-114(dBm/Hz)+NF+lOlogBW(MHz)+S/N(dB)(2)多個級連網(wǎng)絡(luò)的總噪聲系數(shù)FtotF-1+nGGGAlA2An廠F-1F-1=F+_2+3+iGGGAlAlA2放大器工作組態(tài)分類A類放大器（導(dǎo)通角360度，最大理論效率50%）用于小信號、低噪聲，通常是接收機前端放大器或功率放大器的前級放大。B類（導(dǎo)通角180度，最大理論效率%）和C類（導(dǎo)通角小于180度，最大理論效率大于）放大器電源效率高，愉出信號諧波成分高，需要有外部混合電路或濾波電路.由B

3、類和C類放大器還可派生出D類、E類、P類等放大器。放大器常用元器件兩端負(fù)阻的二極管器件變?nèi)荻O管：參量放大隧道二極管：隧道效應(yīng)耿氏二極管：轉(zhuǎn)移電子碰撞雪崩渡越時間二極管：雪崩渡越時間特點：應(yīng)用于放大器電路的早期器件，制造比較容易、便宜，但是兩端口器件實現(xiàn)增益的相關(guān)電路價格確比較昂貴，且穩(wěn)定性較差，調(diào)試工作困難。三端的晶體管器件雙極晶體管（BJT）金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MESFET）擬晶態(tài)高電子遷移率晶體管（PHEMT）異質(zhì)結(jié)晶體管（HBT）放大器的技術(shù)參數(shù)（1）頻率范圍：放大器的工作頻率范圍是選擇器件和電路拓?fù)湓O(shè)計的前提。（2）增益：它是放大器的基本指標(biāo)。按照增益可確定放大器的級數(shù)和器件類型。實

4、際功率增益：負(fù)載吸收功率與二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端吸收功率之比，與源阻抗無關(guān)，與負(fù)載阻抗有關(guān)；資用功率增益：二端口網(wǎng)絡(luò)輸入資用功率與輸出資用功率之比，源端和負(fù)載端均共扼匹配，與源阻抗有關(guān)，與負(fù)載阻抗無關(guān)。它表示放大器增益的最大潛力；轉(zhuǎn)換功率增益：負(fù)載吸收功率與二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端的資用功率之比,與兩端阻抗都有關(guān)。11實際增益測量時，常用插入法，即用功率計先測信號源能給出的功率Pl;再把放大器接到信源上，用同一功率計測放大器輸出功率P2，功率增益就是pG=丄P1低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配進行設(shè)計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，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

5、大增益大概低24dB。3）噪聲系數(shù)放大器的噪聲系數(shù)是輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值，表示信號經(jīng)過放大器后信號質(zhì)量的變壞程度。級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，越靠前端的元件對整個噪聲系數(shù)的影響越大，在接收前端：必須做低噪聲設(shè)計。放大器的設(shè)計要遠(yuǎn)離不穩(wěn)定區(qū)。噪聲的好壞主要取決于器件和電路設(shè)計。4）動態(tài)范圍放大器的線性工作范圍。最小輸入功率為接收靈敏度，最大輸入功率是引起ldB壓縮的功率。放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度Te來表達(dá)。噪聲溫度Te與噪聲系數(shù)F的關(guān)系是。式中T0為環(huán)境溫度，通常取為293K。根據(jù)公式，可以計算出1常用的噪聲系數(shù)和與之對應(yīng)的噪聲溫度。5）非線性特性常用三階交調(diào)截點P3rd來表征放

6、大器電路的非線性特性，三階交調(diào)截點的典型值比PldB高10dB。6）穩(wěn)定性放大器電路的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的嚴(yán)格穩(wěn)定性，這一點對微波射頻電路是非常重要的，因為射頻電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向。當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1時，不管源阻抗和負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱為絕對穩(wěn)定；當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器，其負(fù)載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作。定義：suficient1-1-|S11|2-|S12-S21suficient2-1-|S222-|S12-S2

7、11-S11necessary2S12-S21-S22+|S11-S22-S12-S21suficientl0放大器在r輸入平面上絕對穩(wěn)定的充分必要條件為s4necessary1放大器在r輸入平面上絕對穩(wěn)定的充分必要條件為suficient2Lnecessary1低噪聲放大器特性分析1、增益與負(fù)載有關(guān)，輸入輸出匹配時輸出增益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和輸出阻抗Z都轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗Z,即Z=Z,Z=Z（或二：，=*）out一、0in0out0S1L2就可使器件的傳輸增益最高。P4Z2、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

8、（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P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P面向信源方向視入的反射系數(shù)有一個最佳值，用表示。當(dāng)改變輸入匹配電路使呈現(xiàn)outSout此時，放大器具有最小噪聲系數(shù)Fmin，稱為最佳噪聲匹配狀態(tài)。輸入、輸出不匹配

9、時，增益將下降。因為負(fù)載是復(fù)數(shù)，有可能在不同的負(fù)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(dāng)輸入匹配電路不能使信源反射系數(shù)和最佳反射系數(shù)（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。由于是復(fù)數(shù)，不同的Ss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。等噪聲圓、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)。j50低噪聲放大器的設(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，滿足穩(wěn)定性條件：out=Z0（L=2*）結(jié)構(gòu)

10、工藝上易實現(xiàn)低噪聲放大器的設(shè)計流程：111三、低噪聲放大器設(shè)計過程放大器設(shè)計軟件平臺：AWRDesignEnvironment。設(shè)計步驟：創(chuàng)建原理圖；本電路根據(jù)所給的指標(biāo)參數(shù)，選擇的元器件是富士FHX35LG；（富士FHX35LG的各項指標(biāo)見附錄）選擇元器件富士FHX35LG,導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，測量元器件的各項指標(biāo);a、IV特性測量電路IVCURVEIID=IV1VSWEEP_3tart=QV-VSWEEP_stcp=20V-VSWEEP_step=0.-1V-ISTEP_start-0mA-ISTEP_stop=-10-mA-ISTEP_step=-2mA-.SUBCKT.m=si.一一.NET

11、=FHX35LG.b、IV特性c、FHX35LG的輸入輸出特性呂旳MinDIGHZS(2:2)FHX35LGOutputSwpHin0.1GHzFHX35LG5wpMmD.lOHzs(11)FHX35LG由上圖分析可知：S12特別小，應(yīng)該進行單向化設(shè)計。d、增益參數(shù)e、噪聲系數(shù)Noise11由圖知：K=1,f=創(chuàng)建穩(wěn)態(tài)電路測量穩(wěn)態(tài)下各項參數(shù)；a、穩(wěn)態(tài)電路圖b、穩(wěn)定調(diào)節(jié)參數(shù)：（使用優(yōu)化）C、穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)后輸入特性InputS(h1)與加穩(wěn)定電路之前特性相比，可以看出反射系數(shù)減小，穩(wěn)定度提高。d、穩(wěn)定后的噪聲系數(shù)11e、噪聲系數(shù)圓圖藍(lán)色區(qū)域為潛在不穩(wěn)定區(qū)域，由圖可以看出，潛在不穩(wěn)定區(qū)域較小。輸入匹配電

12、路設(shè)計a、輸入匹配電路PORTGAPIND.p=jl2=3ID=L1.Z=&0Qhm（勺口衛(wèi)葉L=3.61nHb、輸入匹配電路參數(shù)設(shè)置使用軟件自帶的調(diào)諧工具調(diào)整后結(jié)果C、輸入匹配圓圖PORTP=22=50O-hmSUBCKTID=32NETnStablePORTPh-Z=50OhfTl&UBCKTID=S1NETninputpipeiiupntpipci4GHZrD.2H28E1x1Q567JS(2:2)InputpipeiSwpLin4GHZGACMAX(*I,2)StableNIFCIIR(210.5)StableFreq=4GHzG=15.598dBFreq二4GHzNF二1.6511d

13、BFreq=4GHzNF=0.65109dBFreq二4GHzNF=1.1511dBFreq二4GHzG=14.598dB圖中制作Mark的地方為4GHz，輸入匹配成功。輸出匹配電路設(shè)計a、輸出匹配電路b、總電路C、總電路特性噪聲在4GHz處得到抑制，噪聲系數(shù)為；d、單向化設(shè)計輸出功率四、附件!4/90!FHX35LG!3V-10mA!.1GHZ20GHZ22#GHZSMAR50!S-parameterdata.100.996.002.516.500.994.012.517.982.023.513.950.043.498.912.059.483.867.071.462.821.079.446.783.085.439.757.087.441.738.088.452.726.090.468.707.0