【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，它的線性動(dòng)態(tài)范圍大，增益要求能夠自動(dòng)控制。 （ 3）然 后，通過(guò)傳輸線直接和天線或天線濾波器相連。 （ 4）最后，放大器應(yīng)具有一定的選頻功能，以抑制帶外和鏡象頻率的干擾。 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo) 低噪聲放大器的性能主要包含噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性、合理的增益和輸入輸出駐波比等。 噪聲系數(shù)和噪聲溫度 噪聲系數(shù)（ Noise Figure， NF）是在通信系統(tǒng)中衡量電子電路和系統(tǒng)噪聲性能的一個(gè)重要參數(shù)。噪聲系數(shù)定義如下： o uto utininNSNSNF ? （ 21） 在上式中， inS 和 inN 分別為輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率， outS 和 outN 分別輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率。 噪聲系數(shù)通常用分貝數(shù)表示 ）（ NFBNF lg10)d( ? （ 22） 單級(jí)放大器的噪聲系數(shù)計(jì)算 公式為： 22s2snm in |1|)||1(||4optoptRNFNF ???? ????? （ 23） 其中， minNF 為晶體管最小噪聲系數(shù)，由放大器的管子本身決定。 多級(jí)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)計(jì)算公式為： ???????? 2a1a31a21 /1/1 GGNFGNFNFNF ）（）（ （ 24） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 其中， nNF 為第 n 級(jí)放大器的噪聲系數(shù)； anG 為第 n 級(jí)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（例如 NF1）的情況下，用噪聲系數(shù)表示很不方便， 常用噪聲溫度來(lái)表示： BN eKT? （ 25） 式中， K 為玻爾茲曼常量 ； eT 為有效溫度，單位為 K； B 表示帶寬，單位為Hz。 噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為： ）（））（（ oTTBKTBNF /1lg101lg10)d( eo ???? （ 26） 其中， eT 為放大器的噪聲溫度； oT =290K； NF 為放大器的噪聲系數(shù)。 低噪聲放大器的功率增益與增益平坦度 S 參數(shù) 一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)可以用它的端口參數(shù)來(lái)描述其特性，而不必知道起內(nèi)部結(jié)構(gòu)；在射頻和微波頻段使用最多的是 S 參數(shù)； S 參數(shù)是基于入射波和反射波之間關(guān)系的參數(shù)；S 參數(shù)在頻段內(nèi)很容易測(cè)量，特別適用于微波段的系統(tǒng)設(shè)計(jì) [8]。圖 21 為雙端口微波網(wǎng)絡(luò)。 圖 21 雙端口微波網(wǎng)絡(luò) 運(yùn)用疊加原理可寫出參考面上反射波電壓與入射波電壓關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)方程為： i222i121r2i212i111r1 USUSU USUSU ?? ?? （ 27） 它們的定義是 0i1r111 2 ?? iUUUS是當(dāng)雙端口網(wǎng)絡(luò)在輸出口匹配時(shí)，輸入口的反射系數(shù)； 0i2r222 1 ?? iUUUS是當(dāng)輸入口 1 匹配時(shí)，輸入口的反射系數(shù)； 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 0i1r221 2 ?? iUUUS是當(dāng)輸出口 2 匹配時(shí)，輸入向輸出的正向傳輸系數(shù)； 0i2r112 1 ?? iUUUS是當(dāng)輸入口 1 匹配時(shí)，輸出向輸入的反向傳輸系數(shù)。 二端口功率增益的定義 一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)它的兩個(gè)端口分別接信號(hào)源和負(fù)載，必須用 4 個(gè) S 參數(shù)來(lái)描述入射波和反射波之間的關(guān)系，即輸入端口和輸出端口的反射系數(shù) ，輸入口向輸出口的正向傳輸，以及輸出口向輸入口的反向傳輸。如圖 22 為雙端口網(wǎng)絡(luò) S 參數(shù)。 圖 22 雙端口網(wǎng)絡(luò) S 參數(shù) 以特性阻抗 0Z 為參考，可以將各端口的阻抗均用反射系數(shù)來(lái)表示。在圖 22 中，信號(hào)源端有 00s ZZ ZZss ???? （ 28） 網(wǎng)絡(luò)輸入端有 0in0inin ZZ ZZ ???? （ 29） 網(wǎng)絡(luò)輸出端有 0out0outout ZZ ZZ ???? （ 210） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 負(fù)載端有 00L ZZ ZZLL ???? （ 211） 網(wǎng)絡(luò)輸入功率為 in21in ZUP ? （ 212） 1U 為網(wǎng)絡(luò)輸入端電壓，代入 )1(11 iniUU ??? 和式（ 211），得 )1(1 2210in21in iniUZZUP ???? （ 213） 輸入端電壓 1U 與信號(hào)源 sU 分壓后，關(guān)系為 ins1 ZZZ UU ins?? （ 214） 代入用反射系數(shù)表示的 ins ZZ、 和 1U ,則有 )1( )1(21 sin ssi UU ??? ??? （ 215） 將式（ 215）代入式（ 213）可得 ）（ 2in2ins202s 1114 ??????? sin ZUP （ 216） 同理，負(fù)載上得到的功率為 )1( 202222LrLL ZUZUP ???? （ 217） 將式（ 27）和（ 215）代入后可得 22222222102s111)1(4 insL sLL SSZUP?????????? （ 218） 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 因而工作功率增益可表示為 )1(1)1(22222221inLLinL SSPPG ???? ???? （ 19） 如果 源阻抗和輸入阻抗共軛匹配，則可以傳送到網(wǎng)絡(luò)的最大功率可以由來(lái)自 源的可用功率 avsP 表示。 )1(14 2202*sinsssina v s ZUPP????????? （ 220） 同理，來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的可用功率 avnP 是可以傳送到負(fù)載的最大功率。 *o u tL*o u tL 2in22*2202out2212sn 11out14)1(????????????????? ssSZSUPPLav （ 221） 所以可得出可用功率增益為 )1(1)1(2out2s112s221a v sa v n ???? ???? SSPPG A （ 222） 同時(shí)轉(zhuǎn)換功率增益為 2sin2L222s2L221a v sL 11 )1)(1( ????? ?????? SSPPG T （ 223） 當(dāng)輸入和輸出都匹配時(shí)，即零反射（不同于共軛匹配），這時(shí)產(chǎn)生變換功率。這時(shí) 0s ???? L ，式（ 223）簡(jiǎn)化為 221SGT ? (224) 這些功率的定義對(duì)輸入網(wǎng)絡(luò)匹配的優(yōu)化非常重要。同時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比這些參數(shù)來(lái)計(jì)算不同的功率增益是完成一個(gè)成功的設(shè)計(jì)所必需。 增益平坦度 放大器的增益平坦度表示放大器在其頻率范圍內(nèi)的增益的起伏，計(jì)算方法如式（ 225） ： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 inax MM GGG ?? （ 225） 在 式（ 225）中 ， axMG 、 inMG 分別為增益 — 頻率掃頻曲線的幅度最大值和幅度最小值。 圖 23 增益平坦度示意圖 端口駐波比 駐波比（ VSWR）表示放大器端口與系統(tǒng)特性阻抗（ ?50 )的匹配程度。定義如式 (226)所示。 ?? ??? 11VSWR (226) 其中，00ZZ ZZLL ???? Z ：輸入或輸出端的實(shí)際阻抗 0Z ：特性阻抗 對(duì)于低噪聲放大器，最重要的兩個(gè)指標(biāo)是低噪聲和高增益，所以在設(shè)計(jì)低噪聲放大器的時(shí)候，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)通常都是按照最小噪聲系數(shù)進(jìn)行匹配的，因此駐波比就會(huì)偏離最佳的共扼匹配狀態(tài)；另外，由于微波晶體管有自身增益大約以每倍頻程下降6dB 的特性，所以低噪聲放大器的 設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)采用低頻端失配的方法來(lái)抑制低端的增益，來(lái)保持工作頻帶內(nèi)的增益平坦度，因此端口駐波比通常會(huì)隨頻率的降低而升高 [11]。 因此低噪聲放大器的設(shè)計(jì)總是是在噪聲系數(shù)與駐波比也就是功率增益之間權(quán)衡。 非線性特性 衡量放大器非線性特性通常有兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)為 1dB 壓縮點(diǎn)，另一個(gè)就是三階西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 互調(diào)截點(diǎn) IP3(Thirdorder intercept point)。如圖 24所示，在低功率時(shí)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加，放大器的功率增益是一個(gè)定值， 所以稱為線性增益，隨著輸入功率的繼續(xù)增加，放大器進(jìn)入非線性區(qū)，其輸出功率不再歲輸入功率增而增加，實(shí)際增益相對(duì)線性增益就開始減小，當(dāng)減小到低于線性增益 1dB 時(shí)的輸出功率就定為輸出功率的 1dB 壓縮點(diǎn) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 圖 24 非線性特性 當(dāng)兩個(gè)頻率比較接近的信號(hào)輸入到放大器時(shí)，由于器件的非線性會(huì)產(chǎn)生很多組合頻率分量，這些頻率分量有可能會(huì)落在放大器的工作帶寬內(nèi)，對(duì)基帶信號(hào)形成干擾，通常起支配作用的是最接近有用頻率的三階分量。常用三階截點(diǎn) （ IP3） 來(lái) 表征互調(diào)畸變。 動(dòng)態(tài)范圍 放大器所接收到的信號(hào)強(qiáng)弱是變化的，它的有效性決定于它的動(dòng)態(tài)范圍。放大器的動(dòng)態(tài)范圍是指放大器輸入信號(hào)所允許的最小功率和最大功率的范圍。噪聲性能限制動(dòng)態(tài)范圍的下限，輸入信號(hào)功率允許最小值是： MKTNP ）（ m0fm in f?? (227) 式中 , mf? 表示微波系統(tǒng)的通頻帶； K 表示玻爾茲曼常數(shù)； M 表示微波系統(tǒng)所允許的信號(hào)信噪比； 0T 表示環(huán)境溫度。 穩(wěn)定性 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 放大器內(nèi)部通常存在著與頻率有關(guān)的反饋量 S12，而反饋系統(tǒng)必然會(huì)引起穩(wěn)定性問題。因此在放大器電路設(shè)計(jì)中，首先就要保證晶體管在給定的直流偏置和在工作頻段內(nèi)穩(wěn)定。 放大囂的穩(wěn)定性問題分為兩大類：一類稱為無(wú)條件穩(wěn)定或絕對(duì)穩(wěn)定，在這種情況下，對(duì)于所有的 無(wú)源負(fù)載和信號(hào)源阻抗，放大器都能穩(wěn)定地工作；另一類稱為潛在不穩(wěn)定或有條件穩(wěn)定，在這中情況下，負(fù)載阻抗和信號(hào)源阻抗不能任意選取，要有一定的限制，否則放大器不能穩(wěn)定工作。 一個(gè)微波射頻晶體管絕對(duì)穩(wěn)定的條件是 12122211222112 ????? SS SSDK (228) 2112211 1 SSS ?? (229) 2112222 1 SSS ?? (230) 其中， 21122211 SSSSD ?? ； K 稱為穩(wěn)定性判別系數(shù) 。 K1 是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng) 3 個(gè)條件都滿足時(shí)，放大器才能滿足絕對(duì)穩(wěn)定。 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為了使低噪聲放大器能夠穩(wěn)定地工作在頻帶范圍內(nèi)，還必須使放大器遠(yuǎn)離潛在不穩(wěn)定區(qū)。而對(duì)于潛在不穩(wěn)定放大器，存在兩種方式來(lái)避開。 （ 1） 引入電阻匹配元器件； （ 2） 引入負(fù)反饋。 實(shí)際設(shè)計(jì)中，有以下三種方法可以改善微波晶體管的自身穩(wěn)定性。 （ 1）串接阻抗負(fù)反饋 通常是在場(chǎng)效應(yīng)管的源極或晶體管的射級(jí)串聯(lián)一個(gè)電阻或者電感 ，電感有時(shí)會(huì) 用微帶線來(lái)代替，構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)電路穩(wěn)定性，有時(shí)也可以適當(dāng)?shù)販p小輸入、輸出駐波比。 （ 2）用鐵氧體隔離器 使用鐵氧體隔離器改善穩(wěn)定性，要求隔離器的頻帶必須足夠?qū)?，以覆蓋不穩(wěn)定頻率范圍，而且對(duì)隔離器頻帶內(nèi)的正向衰減和端口駐波比也有一定的要求，再加上鐵氧體一般體積較大，考慮到占用空間的問題，所以使用的范圍也受到了一定的限制 [13]。 （ 3）純阻性衰減網(wǎng)絡(luò) ? 型純電阻衰減器是由電阻元件構(gòu)成的一個(gè)提高電路穩(wěn)定性的方法。衰減器通常要加在放大器的末級(jí)，以避免增大低噪聲放大器的噪聲系數(shù)。此外，衰減網(wǎng)絡(luò)還可以西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 改善輸出駐波比。 本章小結(jié) 這一章主要介紹了低噪聲放大器設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)，包括它們的定義和計(jì)算公式等等，如噪聲系數(shù)，功率增益， S 參數(shù)，駐波比等，這些參數(shù)之間相互聯(lián)系又相互制約，在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，需要根據(jù)指標(biāo)的要求進(jìn)行取舍和權(quán)衡，最終確定最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)介紹了低噪聲放大器穩(wěn)定性的判別，以及它們的適用條件。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 第 3 章 低噪聲放 大器的設(shè)計(jì) 低噪聲放大器設(shè)計(jì)的一般步驟 低噪聲放大器設(shè)計(jì)的一般步驟如圖 31 所示。 N放 大 拓 撲 電 路 設(shè) 計(jì)K 1設(shè) 計(jì) 偏 置 電 路穩(wěn) 定 性 設(shè) 計(jì)設(shè) 計(jì) 輸 入 、 輸 出匹 配 網(wǎng) 絡(luò)是 否 滿 足 設(shè) 計(jì) 要 求版 圖 實(shí) 現(xiàn)Y