低噪聲放大器仿真與設(shè)計(jì)

1、低噪聲放大器仿真與設(shè)計(jì)2022/8/31第1頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日主 要 內(nèi) 容電路噪聲的定義二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí)介紹場(chǎng)效應(yīng)管放大器設(shè)計(jì)實(shí)例BJT放大器設(shè)計(jì)實(shí)例（參考低噪聲放大器設(shè)計(jì)實(shí)例（補(bǔ)充內(nèi)容_鄧建華） 2022/8/31第2頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日一、電路噪聲的定義與分析1.1 什么是噪聲？ 用平均值為零的高斯分布隨機(jī)變量來描述 噪聲電壓信號(hào) 的均方根值 噪聲能表征為任何不希望出現(xiàn)的并且對(duì)正在處理的主要信號(hào)的干擾信號(hào)。噪聲的數(shù)學(xué)表達(dá)：2022/8/31第3頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)

2、34分，星期日1.2 噪聲的分類 內(nèi)部噪聲，在沒有施加外部電流的情況下所能夠觀察到的噪聲：電阻的熱噪聲額外噪聲，只有施加外部電流的情況下才能夠觀察到的噪聲：1/f噪聲散粒噪聲外部噪聲，環(huán)境噪聲外部電子干擾噪聲 一、電路噪聲的定義與分析2022/8/31第4頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日1.3 熱噪聲的定義 導(dǎo)體中的噪聲功率表示為： 其中K為波爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度用K表示，而 是測(cè)量系統(tǒng)的噪聲帶寬電路的噪聲電壓（1）匹配條件下：（2）由（1）和（2）（3）一、電路噪聲的定義與分析2022/8/31第5頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日1.4

3、 有噪電阻的等效電路 有噪電阻的戴維南等效電路和諾頓等效電路一、電路噪聲的定義與分析2022/8/31第6頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日1.5 噪聲的頻域表達(dá)形式頻譜噪聲電壓頻譜噪聲電流頻譜密度一、電路噪聲的定義與分析2022/8/31第7頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日1.6 噪聲的疊加關(guān)系兩個(gè)非相關(guān)噪聲源的疊加兩個(gè)相關(guān)噪聲源的疊加一、電路噪聲的定義與分析2022/8/31第8頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日二、兩端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) 一個(gè)有噪網(wǎng)絡(luò)可以等效為無噪聲網(wǎng)絡(luò)再加上兩個(gè)噪聲電流源 和 ，然后轉(zhuǎn)換為只有輸入端

4、才有噪聲源的兩端口網(wǎng)絡(luò)2022/8/31第9頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日注意：上述處理沒有考慮 和 具有相同噪聲機(jī)理的事實(shí)二、兩端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)2022/8/31第10頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日前述噪聲模型中的 可以分解為非相關(guān)分量 和相關(guān)分量 ，并進(jìn)行諾頓變換，如下圖所示其中源 引起的噪聲等效噪聲電導(dǎo) 引起的噪聲等效噪聲電阻 引起的噪聲二、兩端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)2022/8/31第11頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日二、兩端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)因此，可以選擇合適的源導(dǎo)納，使電路噪聲系數(shù)最小。2022/8/31

5、第12頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí)1.1 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(jī)天線，放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)。低噪聲放大器在對(duì)微弱信號(hào)放大的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生附加于擾信號(hào)，因此它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是低噪聲，足夠的增益，線性動(dòng)態(tài)范圍寬。低噪聲放大器影響整機(jī)的噪聲系數(shù)和互調(diào)特性，分析如下：（2）多個(gè)級(jí)連網(wǎng)絡(luò)的總噪聲系數(shù)：（1）系統(tǒng)接收靈敏度：2022/8/31第13頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí)1.2 放大器工作組態(tài)分類 A類放大器（導(dǎo)通角360度，最大理

6、論效率50%）用于小信號(hào)、低噪聲，通常是接收機(jī)前端放大器或功率放大器的前級(jí)放大。B類（導(dǎo)通角180度，最大理論效率78.5%）和C類（導(dǎo)通角小于180度，最大理論效率大于78.5% ）放大器電源效率高，愉出信號(hào)諧波成分高，需要有外部混合電路或?yàn)V波電路由B類和C類放大器還可派生出D類、E類、P類等放大器。2022/8/31第14頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí)1.3 放大器常用元器件 1.兩端負(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(shí)間二極管：雪崩渡越時(shí)間特點(diǎn)：應(yīng)用于放大器電路的早期器件，制造比較

7、容易、便宜，但是兩端口器件實(shí)現(xiàn)增益的相關(guān)電路價(jià)格確比較昂貴，且穩(wěn)定性較差，調(diào)試工作困難。2022/8/31第15頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí)1.3 放大器常用元器件 2.三端的晶體管器件雙極晶體管（BJT）金屬半導(dǎo)體場(chǎng)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）2022/8/31第16頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí)1.4 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(jì)的前提。（2）增益： 它是放大器的基本指標(biāo)。按照增

8、益可確定放大器的級(jí)數(shù)和器件類型。 實(shí)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)。2022/8/31第17頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí) 實(shí)際增益測(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 低噪聲放大器都是

9、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24dB。2022/8/31第18頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí) （3）噪聲系數(shù) 放大器的噪聲系數(shù)是輸入信號(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比的比值，表示信號(hào)經(jīng)過放大器后信號(hào)質(zhì)量的變壞程度。級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，越靠前端的元件對(duì)整個(gè)噪聲系數(shù)的影響越大，在接收前端：必須做低噪聲設(shè)計(jì)。放大器的設(shè)計(jì)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(jì)。 （4）動(dòng)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

10、率是引起1dB 壓縮的功率。2022/8/31第19頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí) 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(jì)算出常用的噪聲系數(shù)和與之對(duì)應(yīng)的噪聲溫度，如下表所示。F(dB)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0F1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259 Te(K)6.825 13.81 20.96 28.27 35.

11、75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 F(dB) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10 F1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00Te(K)120.9 171.3 228.1 291.6 362.9 442.9 532.8 633.5 873.5 26372022/8/31第20頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí) （4）非線性特性 常用三階交調(diào)截點(diǎn)P3rd來表征放大器電路的非線性特性，三階交調(diào)截點(diǎn)的典型

12、值比P1dB高10dB。（5）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(diǎn)對(duì)微波射頻電路是非常重要的，因?yàn)樯漕l電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向。 2022/8/31第21頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí) 當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于1（即 ）時(shí)，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(duì)穩(wěn)定；當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對(duì)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：放大器在S輸入平面上絕對(duì)

13、穩(wěn)定的充分必要條件為放大器在L輸入平面上絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件為2022/8/31第22頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí)1、增益與負(fù)載有關(guān)，輸入輸出匹配時(shí)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Zin和輸出阻抗Zout都轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)阻抗Z0，即Zin = Z0， Zout = Z0（或S = 1*，L = 2*）就可使器件的傳輸增益最高。2022/8/31第23頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí) 2、輸入、輸出匹配時(shí)，噪聲并非最佳。相反有一定失配，才能實(shí)現(xiàn)噪聲最佳。 對(duì)于

14、MES FET（金屬半導(dǎo)體場(chǎng)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(gè)等效噪聲源。這兩個(gè)等效噪聲源也是相關(guān)的，如果FET輸入口（即P1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?cè)谳敵龆丝谏舷嗷サ窒瑥亩档土嗽肼曄禂?shù)。對(duì)于雙極型晶體管也存在同樣機(jī)理。 根據(jù)分析，為獲得最小的FET本征噪聲，從FET輸入口P1面向信源方向視入的反射系數(shù)有一個(gè)最佳值，用out表示。當(dāng)改變輸入匹配電路使呈現(xiàn)S = out 此時(shí)，放大器具有最小噪聲系數(shù)Fmin，稱為最佳噪

15、聲匹配狀態(tài)。2022/8/31第24頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí) 輸入、輸出不匹配時(shí)，增益將下降。因?yàn)樨?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(gè)圓叫等增益圓。 當(dāng)輸入匹配電路不能使信源反射系數(shù)S和最佳反射系數(shù)opt（噪聲系數(shù)最小時(shí)的反射系數(shù)）相等時(shí)，放大器噪聲將增大。由于S是復(fù)數(shù)，不同的S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。2022/8/31第25頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí) 等噪聲圓、等增益圓是我們?cè)O(shè)計(jì)輸入輸出

16、匹配電路，尤其輸入匹配電路的依據(jù)。2022/8/31第26頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí)1.5 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)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(jì)依據(jù)。輸出匹配電路設(shè)計(jì)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)工藝上易實(shí)現(xiàn)2022/8/31第27頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日三、低噪聲放大器基礎(chǔ)知識(shí)1.6 低噪聲放大器的CAD設(shè)計(jì)過程 2022/8/31第28頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日四、場(chǎng)效應(yīng)管放大器設(shè)計(jì)實(shí)例 參考ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例第五章和FET_LNA_prj工程2022/8/31第29頁，共31頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日五、 BJT低噪聲放大器設(shè)計(jì)實(shí)例 參考BJT低噪聲放大器設(shè)計(jì)實(shí)例（補(bǔ)充內(nèi)容_鄧建華）和BJT_LNA_ 1GHz_prj工程2022/8/31第30頁