《射頻與微波電路設(shè)計》--低噪聲放大器設(shè)計

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1、第六講低噪聲放大器設(shè)計放大器是射頻與微波電路中最基本的有源電路模塊。常用的放大器有低噪聲放大器、寬頻帶放大器和功率放大器。本課程只討論低噪聲放大器與功率放大器。本講座針對低噪聲放大器。1放大器技術(shù)指標(biāo)—噪聲系數(shù)與噪聲溫度2放大器技術(shù)指標(biāo)—噪聲系數(shù)與噪聲溫度3放大器技術(shù)指標(biāo)—功率增益4功率增益與噪聲系數(shù)5放大器技術(shù)指標(biāo)—增益平坦度增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏，常用最高增益與最小增益之差，即△G(dB)表示，如下圖所示。6放大器技術(shù)指標(biāo)—工作頻帶考慮到噪音系數(shù)是主要指標(biāo)，但是在寬頻帶情況下難于獲得極低噪音，所以

2、低噪音放大器的工作頻帶一般不大寬，較多為20％上下。工作頻帶不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪音要滿足要求，并給出各頻點的噪音系數(shù)。7放大器技術(shù)指標(biāo)—動態(tài)范圍8放大器技術(shù)指標(biāo)—端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設(shè)計的，其結(jié)果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會很好。此外，由于微波場效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗

3、電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。9放大器的穩(wěn)定性10帶有輸入、輸出匹配電路放大器的一般表示如果只關(guān)心放大器的外部特性，放大器可當(dāng)作一個二端口網(wǎng)絡(luò)，其輸入、輸出之間的關(guān)系可表示為式中a1、b1分別為輸入端口P1面上的歸一化入射波、反射波電壓；a2、b2分別為輸出端口P2面的歸一化入射波、反射波電壓。111、增益與負(fù)載有關(guān)，輸入輸出匹配時輸出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Z

4、0，即Zin=Z0，Zout=Z0（或?S=?1*，?L=?2*）就可使器件的傳輸增益最高。在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓12在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓2、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（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P1面）有一定的失配

5、，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P1面向信源方向視入的反射系數(shù)有一個最佳值，用?out表示。當(dāng)改變輸入匹配電路使呈現(xiàn)?S=?out此時，放大器具有最小噪聲系數(shù)Nfmin，稱為最佳噪聲匹配狀態(tài)。13在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓輸入、輸出不匹配時，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

6、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)最小時的反射系數(shù)）相等時，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。14在圓圖上表示噪聲和增益——等噪聲圓和等增益圓等噪聲源、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)。15低噪聲放大器設(shè)計的依據(jù)與步驟依據(jù)：滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)噪聲系數(shù)（或噪聲溫度）；功率增益；增益平坦度；工作頻帶；動態(tài)范圍2.輸入、輸出為標(biāo)準(zhǔn)微帶線，其特征阻抗均為50?步驟：放大器級數(shù)晶體管

7、選擇電路拓樸結(jié)構(gòu)電路初步設(shè)計用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化、仿真模擬16電路設(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，?out=Z0（?L=?2*）滿足穩(wěn)定性條件結(jié)構(gòu)工藝上易實現(xiàn)17電路設(shè)計——基本電路模塊輸入匹配電路模塊輸出匹配電路模塊低噪聲放大器一般不止一級，還有級間匹配電路模塊。18輸入匹配電路——要求要求：Zout=Zopt?out=?opt19輸入匹配電路——結(jié)構(gòu)類型并聯(lián)導(dǎo)納型匹配電路阻抗變換型匹

8、配電路20微帶電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇原則（1）微波的高頻段，比如工作頻率在X波段或更高，宜選用微帶阻抗跳變式的阻抗變換器類，（2）對于微波的低頻段，例如S波段或更低端，宜選用分支微帶結(jié)構(gòu)。（3）微波管輸入阻抗為容性時，此時s11處在史密斯圓圖下半平面，匹配電路第1個微帶元件宜用電感性微帶單元；反之，當(dāng)s11處在史密斯圓圖上半平面時，宜用電容性微帶單