【正文】 覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營商乃至無線通訊設(shè)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： S=174+ NF+10 ㏒ BW+S/N 由上式可見，在各種特定（帶寬、解調(diào) S/N 已定）的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù) NF，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)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(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設(shè)計對整個接收機(jī)來說是至關(guān)重要的。 主要應(yīng)用領(lǐng)域 低噪聲放大器可以使接收機(jī)接受的的微弱信號放大，并降低噪聲的干擾，無失真的將信號放大傳給下一級電路，是通信系統(tǒng)中重要的前端必備電路，因此低噪聲放大器廣泛應(yīng)用于 微波通信、 GPS 接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對抗及各種高精度測量系統(tǒng)等領(lǐng)域中，是現(xiàn)代 IC 技術(shù)發(fā)展中必 不可少的重要電 路。 低噪聲放大器的研究現(xiàn)狀 隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，低噪聲放大器的性能不斷提高，采用 PHEMT 場效應(yīng)晶體管的低噪聲放大器的在 800MHz 頻段噪聲系數(shù)可達(dá)到 ,增益約17dB 左右， 1900MHz 頻段噪聲系數(shù)可達(dá)到 增益為 15dB 左右。 微波晶體管是較晚開發(fā)的三電極半導(dǎo)體器件 ,由于其性能優(yōu)越 .迅速獲得了廣泛應(yīng)用 .并不斷地向高頻率、大功率、集成化推進(jìn) .基本作用是放大器，已基本上取代了參放 .部分地代替行數(shù) .在其它電路中也可使用 ,如 :混頻器 ,倍頻器 ,振蕩器 ,開關(guān)等 . 目前 ,廣泛應(yīng) 用及有前景的元件主要有以下五種 . ◢ BJT 雙極結(jié)晶體管是普通三極管向射頻與微波頻段的發(fā)展。使用最多的等效電路模型是 GummelPoon 模型，之后出現(xiàn)了 VBIC 模型， MEXTRAM 模型和Philips 模型。 VBIC 模型是 GummelPoon 模型的發(fā)展伸； MEXTRAM 模型零極點(diǎn)少，故比 Philips 模型收斂快。 ◢ MOSFET 金屬氧化物場效應(yīng)管在 以下頻段應(yīng)用的越來越多。 雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 DMOS是 CMOS晶體管向高頻的發(fā)展 ,側(cè)面雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 LDMOS 器件是大功率微波放大器件。 SPICE 給出了雙極型 CMOS的非線性模型 BiCMOS, BiCMOS模型包括了同一硅片上的 BJTs ,N型 MOSFET和 P 型 。 ◢ MESFET金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管是在 GaAs基片上上同時實現(xiàn)肖特基勢壘結(jié)和歐姆接觸。這是一個受柵極電壓控制的多數(shù)載流子器件。這種器件的非線性模型 MESFET/HEMT 由幾個著名器件和軟件廠商給出，還在不斷完善。 ◢ HEMT(PHEMT 和 MHEMT)高電子遷移率器件在很多場合下已經(jīng)取代了MESFET 器件。 1980 年提出的這種器件，近幾年來才有大量工程應(yīng)用。 PHEMT是點(diǎn)陣匹配的偽 HEMT 器件， MHEMT 是多層涂層結(jié)構(gòu)的變形 HEMT 器件，MHEMT 器件發(fā)展?jié)摿^大。 ◢ HBT 異質(zhì)結(jié)雙極結(jié)晶體管是為了提高 GaAs BJT 的發(fā)射效率于 1965 年提出，經(jīng)歷了漫長的發(fā)展工程，而 1985 年出現(xiàn)的 SiGe BJT 最大結(jié)溫 Tj,max 僅為155℃呈現(xiàn)出良好的微波特性。 自 1988 年以來，微波半導(dǎo)體器件的性能得到了迅猛的發(fā)展，增益高，噪聲低，頻率高，輸出功率大。技術(shù)的進(jìn)步，模型的完整使得 PHEMT 器件成為 2GHz無線電系統(tǒng)的主力器件。不斷出現(xiàn)的新材料帶來微波器件材料日新月異 發(fā)展。 SiC和 GaN 的發(fā)明已經(jīng)使得 FET 實現(xiàn)大高功率器件， N 溝道 MOSFET 有望擔(dān)綱 60GHz器件 。 低噪聲微波放大器（ LNA）已廣泛應(yīng)用于微波通信、 GPS 接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對抗、射電天文、大地測繪、電視及各種高精度的微波測量系統(tǒng)中，是必不可少的重要電路。 微波晶體管放大器還在向更高工作頻率、低噪聲、寬頻帶、集成化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。 本實驗報告的主要研究內(nèi)容 和內(nèi)容安排 本實驗報告 的將基于 ADS 仿真設(shè)計低噪聲放大器，并優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計出符合各項指標(biāo)基于 ATF54143 場效應(yīng)管的低噪聲放大 器 。 本文研究的主要內(nèi)容安排如下： ◢分析一般低噪聲放大器的基本結(jié)構(gòu)和各項基本指標(biāo)，低噪聲放大器的一般設(shè)計過程。 ◢選擇本文設(shè)計的低噪聲放大器的晶體管，并初步設(shè)計低噪聲放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置電路，穩(wěn)定性的解決方法。 ◢利用 ADS 軟件仿真設(shè)計低噪聲放大器，并完成電路圖的設(shè)計。 二、 低噪聲放大器的 原理 分析與研究 低噪聲放大器的基本結(jié)構(gòu) 低噪聲放大器由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、微波晶體管放大器和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成。 低噪聲放大器基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，如圖 所示。 圖 低噪聲 放大器的基本結(jié)構(gòu) 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)作為放大器的匹配電路，用于實現(xiàn)放大器的最佳源匹配和共軛匹配。一般采用電感，電容或微帶線來完成匹配電路。 晶體管是放大器的核心器件，所有的外部電路都是為了實現(xiàn)晶體管的更好的發(fā)揮功能 ，實現(xiàn)放大器的低噪聲，合適的增益和穩(wěn)定性 。 低噪聲放大器的基本指標(biāo) 低噪聲放大器的二端口網(wǎng)路的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖 所示。 輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 微波晶體管放大器 輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 圖 二端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即： NF= inout outinSN （ 21） 對單級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計算為： ? ? 222m in 1 14s o p ts o p tN F R? ? ??? ? ? （ 22） 其中 Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的， Γ opt、Rn 和Γ s分別為獲得 Fmin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，其噪聲系數(shù)的計算為： NF=NF1+(NF 1)/G1+(NF 1)/G1G +…… （ 23） 其中 NFn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(guān)系為： Te = T0 ( NF – 1 ) （ 24） 其中 Te 為放大器的噪聲溫 度， T0 =2900 K， NF為放大器的噪聲系數(shù) 。 晶體管放大器 輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 50? 50? ?S ?L ?in ?out VSWRin VSWRout NF(dB) = 10LgNF （ 25） 增益 放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值： G=Pout / Pin (26) 從 (23)的計算公式中可見，提高低噪聲放大器的增益對降低整機(jī)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(jī)的動態(tài)范圍。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動態(tài)范圍 等結(jié)合起來考慮。 輸入輸出駐波比 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(shè)計低噪聲放大器的匹配電路時，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計為接近最佳噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設(shè)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)定，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。輸入輸出駐波比計算公式： VSWR= 11