【文章內(nèi)容簡介】 放大器的參數(shù)也會發(fā)生變化，而在設(shè)計基于有源兩端口網(wǎng)絡(luò)射頻放大電路時，絕對穩(wěn)定是非常有價值的。如果有源器件滿足絕對穩(wěn)定條件，可以簡化放大電路的設(shè)計，提高設(shè)計效率。而且只有在絕對穩(wěn)定的條件下晶體管才有可能達到最大增益，所以判斷一個晶體管的射頻是否絕對穩(wěn)定就相對變得重要。而一個晶體管的射頻穩(wěn)定條件是： （36）式中有： （37）為穩(wěn)定性判別系數(shù)，只有當式（36）中的3個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。 端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器的輸入和輸出反射系數(shù)表征著輸入輸出信號的反射損耗，通常用輸入和輸出駐波比來表示，將低噪聲放大器看成標準兩端口網(wǎng)絡(luò)，則輸入輸出駐波比如下： (38) (39) 低噪聲放大器主要指標是噪聲系數(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 6 dB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。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。4 低噪聲放大器設(shè)計仿真及優(yōu)化 指標目標及設(shè)計流程工作頻帶：~； 帶內(nèi)增益：大于15dB； 噪聲系數(shù)：小于2dB；輸入輸出駐波比：； 穩(wěn)定性：絕對穩(wěn)定； 反向電壓增益：小于10dB，大于30dB；設(shè)計的默認偏置環(huán)境是：Vce= Ic=2mA；低噪聲放大器設(shè)計的一般流程：1) 晶體管的選取；2) 直流偏置設(shè)計；3) 穩(wěn)定性設(shè)計；4) 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計；5) 整體優(yōu)化仿真；6) 版圖設(shè)計； 選取晶體管并仿真晶體管參數(shù)本文選取晶體管AT32011，對其參數(shù)的仿真的原理圖如下：放大器的一個基本任務(wù)是將輸入信號進行不失真的放大，這就要求晶體管放大器必須設(shè)置穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。另外，靜態(tài)工作點決定著放大器的各種性能，如增益、噪聲系數(shù)、駐波比等。這些性能參數(shù)常常相互矛盾、彼此制約，因此，在考慮靜態(tài)工作點時，通常要在各種特定指標之間作出平衡、折中的選擇。 圖41 晶體管工作點掃描的電路 圖42 BJT直流工作點掃描曲線由圖表可知，晶體管AT32011的靜態(tài)工作點為：VCE=ICi=IBB= 圖43 偏置電路原理圖 圖44 偏置電路 晶體管S參數(shù)掃描 圖45 晶體管S參數(shù)掃描的電路 圖46 晶體管S參數(shù)仿真圖47 噪聲系數(shù)nf(2)曲線，S(1,1)=S(1,2)=S(2,1)=S(2,2)=Nf(2)=由上述分析可以看出，晶體管參數(shù)指標如下：（1）,滿足技術(shù)指標；（2）通帶內(nèi)的噪聲系數(shù)滿足技術(shù)指標；（3）通帶內(nèi)的增益不滿足技術(shù)指標；（4）通帶內(nèi)的輸入駐波比不滿足技術(shù)指標；（5）通帶內(nèi)的輸出駐波比不滿足技術(shù)指標；結(jié)論如下：（1）頻率范圍和噪聲系數(shù)滿足技術(shù)指標，可以選取晶體管；（2）通帶內(nèi)增益、輸入輸出駐波比不滿足技術(shù)指標，需要添加輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，通過輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化實現(xiàn)該3項指標； 放大器的穩(wěn)定性分析我們知道二端口網(wǎng)絡(luò)絕對穩(wěn)定的充分且必要條件為： （41）其中 （42）為放大器的穩(wěn)定因子，越大，穩(wěn)定性越高。只有同時滿足上面三個條件時，放大器才能保證絕對穩(wěn)定，有任何一個條件不滿足，都將是潛在不穩(wěn)定的。對上面的三個條件作適當?shù)淖儞Q，可得絕對穩(wěn)定判別準則的另一種表達形式： （43）對于放大器的穩(wěn)定因子 ，有如下三個特性：(1)在網(wǎng)絡(luò)的兩個端口（或其中一個端口）上串聯(lián)或并聯(lián)相應(yīng)的電阻或電導(dǎo)，則網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定系數(shù)會增大，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性將得到提高。(2)在網(wǎng)絡(luò)的兩個端口（或其中一個端口）上串聯(lián)或并聯(lián)相應(yīng)的電抗或電納，則網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定系數(shù)不變，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性不變。(3)在用任何電阻或電導(dǎo)改變網(wǎng)絡(luò)參量的歸一化時，穩(wěn)定系數(shù)不變。由此可見，增強電路穩(wěn)定性的兩種好方法是在漏極使用阻性負載和在源極與地之間加電感。(1)在每個源極引線和地之間加電感可引起串聯(lián)反饋，它所起的作用隨頻率不同而不同。在比較高的頻率，增加源極電感引起正反饋，使器件增益提高引起不穩(wěn)定；在較低頻率源極電感引起負反饋，使器件增益降低穩(wěn)定性提高。(2)在漏極串聯(lián)或并聯(lián)阻性負載是獲得寬帶穩(wěn)定性最簡單易行的方法，阻性負載能夠在很寬的頻段內(nèi)使器件產(chǎn)生等阻抗，其惟一的缺點是由于在阻性終端有一些能量消耗，降低了輸出功率。在設(shè)計電路之前，應(yīng)根據(jù)器件手冊提供的參數(shù)來判斷是否穩(wěn)定工作只有絕對穩(wěn)定，才能保證放大器的穩(wěn)定工作和雙端口共軛匹配。且在不穩(wěn)定情況下，匹配電路要特別注意，其負載反射系數(shù)有特殊的要求，這將在匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中說明。對晶體管AT32011就K因子和△因子進行仿真： 圖48 仿真原理圖 圖49 K因子 圖410 △因子由上面圖可知，1 △1,晶體管處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。 設(shè)計輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 匹配原理在設(shè)計放大器時，一般有以下幾種原則：一是以達到最大功率增益為目標；二是以達到最穩(wěn)定增益為目標；三是要達到某一確定的增益值（小于最大增益）；四是以達到最小噪聲系數(shù)為目標。更多的時候，是要綜合考慮以上的目標。對于低噪聲放大器，注重的是要求放大器有極低的噪聲系數(shù)同時又能得到一定的增益，這樣就必須在噪聲和增益之間取折中方案。所有這些設(shè)計目標均可以按照網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)導(dǎo)出相應(yīng)的公式。對于不同的設(shè)計原則，相應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也就不一樣。實際的應(yīng)用中三極管的輸入共軛匹配的源反射系數(shù)（） 和最小噪聲源反射系數(shù)（） 很少一致。因此，必須找到一種折中的輸入匹配方法來滿足最佳噪聲系數(shù)和最佳輸入反射回損的性能。當由一個給定的噪聲系數(shù)=來設(shè)計時，可以推出等噪聲系數(shù)圓方程，其方程如下： （44）圓心為 （45）半徑為 （46）其中 （47）得到等噪聲系數(shù)圓后，按照要求的噪聲系數(shù)設(shè)計放大器的問題就演變?yōu)閺脑摰仍肼曄禂?shù)圓中確定一個合適的值。利用（4－7）式可以在平面上畫出一組等噪聲系數(shù)圓。當r=0時，即達其最小值，這時的=。畫出圖來我們還能發(fā)現(xiàn)，通過圓圖原點的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù)就是信號源端匹配時（=0）的噪聲系數(shù)，不包圍圓圖原點的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù)將在下列范圍：，包圍圓圖原點的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù)將在下列范圍：。匹配電路最核心的就是起個阻抗變換作用，把一個阻抗變換成為另外一個需要的阻抗，從而達到匹配的效果。在我們得到最小噪聲系數(shù)的源反射系數(shù)時，就可以來設(shè)計輸入匹配電路了。根據(jù)反射系數(shù)與阻抗的關(guān)系 和放大器的輸入阻抗:，可以算出經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)向源看去的阻抗。這樣我們就可以通過阻抗變換的方法設(shè)計出需要的輸入匹配電路。利用smith圓圖和ADS軟件可以方便的實現(xiàn)型、型、π型等匹配電路，其中還涉及到帶寬及頻率響應(yīng)等問題，篇幅有限在這里不再贅述。對于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在多級的情況下，為了達到更高的功率增益，其輸出匹配采用共軛匹配的形式。通過器件手冊可以得到其S參數(shù)，求出穩(wěn)定因子就可以判斷放大器是否可以匹配。對于的放大器都是可以匹配的，當 時，理論上可以進行匹配，但實際上不可行，因為由其反射系數(shù)可知，這是一種純電抗性匹配，而現(xiàn)實中的元件都是有電阻性分量的。當1時，在理論上可以匹配，但已無使用意義，因為這時| |=1。當1時，無論是理論上還是在實際上都不能匹配成功。對于潛在不穩(wěn)定的匹配放大器而言，因為的取值較大時||有可能大于1，所以||的取值將受到限制，不能隨意取值。由于我們制作放大器已經(jīng)首先選擇了穩(wěn)定的參數(shù)，所以其總是可以同時實現(xiàn)雙端口的匹配，在輸入口已經(jīng)進行了最小噪聲系數(shù)的匹配，在輸出口我們可以利用下面的公式計算出輸出口的負載反射系數(shù)： (48) 其中 。 (49)得到負載反射系數(shù)后就可以按上面的方法進行匹配電路的設(shè)計了 計算輸入阻抗輸入阻抗數(shù)據(jù)如下圖411 用實部和虛部表示的輸入阻抗數(shù)據(jù)由上圖可以看出，輸入阻抗Zin1=+ 單支節(jié)匹配電路在SP模型的輸入端采用單支節(jié)匹配電路進行匹配圖412 單支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)子電路圖413 帶有單支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)的原理圖對原理圖進行仿真后，得到的數(shù)據(jù)曲線如下： 圖414 、和曲線由圖414可以看出，、和曲線在中心頻率處的參數(shù)如下：（1）, 表明輸入匹配良好。（2），表明輸出匹配不好。（3），表明增益沒有達到技術(shù)指標。 設(shè)計并優(yōu)化輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)從圖414可以看出，只添加輸入匹配網(wǎng)絡(luò)不能滿足技術(shù)指標，下面同時添加輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，并對輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，以達到技術(shù)指標。輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如下：圖415 輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)原理圖對設(shè)計好的原理進行優(yōu)化和仿真。利用優(yōu)化控件Optim和目標控件GOAL,如圖所示：圖416 設(shè)置完成的優(yōu)化控件和目標控件優(yōu)化后查看仿真 圖417 噪聲系數(shù) 圖418 反向電壓增益 圖418 K因子 圖419 增益 圖420 輸入和輸出駐波比VSWR1和VSWR2由仿真圖可以看出，~，a) K1,說明系統(tǒng)處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)；b) ＜S12＜，說明具有良好的輸入輸出隔離度；c) Nf(2),說明噪聲系數(shù)達到指標；d) VSWE1, 說明輸入駐波比達到指標；e) G，說明增益達到指標；f) VSWE2, 說明輸出駐波比沒有達到指標；設(shè)計到目前為止，只有輸出駐波比沒有達到指標。此文采用二級級聯(lián)的方法解決此問題，因為等到加上偏置網(wǎng)絡(luò)后增益也會有所下降，并且此方法也可以減小輸出駐波比。二級級聯(lián)的原理圖如下：圖421 二級級聯(lián)放大器原理圖對此原理圖進行仿真，仿真結(jié)果如下所示： 圖422 噪聲系數(shù) 圖423 輸入駐波比 圖424 增益 圖425 輸出駐波比由仿真圖可以看出，在級聯(lián)后，輸出駐波比減小并且達到指標，增益增大，但是系統(tǒng)的噪聲系數(shù)增大，在輸出駐波比和噪聲系數(shù)之間，我選擇噪聲系數(shù)，也就是沒有級聯(lián)的電路,因為該畢業(yè)設(shè)計的最重要的指標就是噪聲系數(shù)。 至此，放大器的目標指標都已經(jīng)實現(xiàn)，設(shè)計工作完成。結(jié) 論結(jié) 論快速發(fā)展的無線通信對微波射頻電路如低噪聲放大器提出更高的性能。本文分析討論了低噪聲放大器的基本設(shè)計理論，并結(jié)合低噪聲放大器的性能指標，利用 ADS 、帶寬為100MHz、噪聲系數(shù)小于2dB和增益大于15dB的低噪聲放大器。 本文研究的主要工作和結(jié)論如下： (1)在認真閱讀文獻、查找資料的基礎(chǔ)上，驗證了一種基于 ADS 仿真軟件設(shè)計射頻功率放大器的可行性，利用 Smith 圓圖對其輸入輸出阻抗匹配電路進行了仿真優(yōu)化設(shè)計，ADS 軟件提供了