【文章內(nèi)容簡介】 間電容增加也降低了特性頻率。 帶寬 為保證頻帶信號無失真地通過放大電路，要求其增益頻率響應(yīng)特性必須有與信號帶寬相適應(yīng)的平坦寬度。放大電路電壓增益頻率響應(yīng)特性為最大值下降 3dB時，對應(yīng)的頻率寬度為放大器的通頻帶，通常以 BW 表示，即帶寬。而低噪聲放大器的帶寬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)噪聲要滿足要求。帶寬又分為絕對帶寬和相對帶寬。絕對帶寬定義如下： () HLBW Hz f f?? (31) 采用絕對帶寬表示時，帶寬 BW 的量綱為 Hz。 相對帶寬常用的表示方法為百分比法。采用相對帶寬表示時，帶寬是無量綱的相對值。百分比法定義為絕對帶寬占中心頻率的百分?jǐn)?shù)，用 RBW 表示為： 001 0 0 1 0 0HLff BWRBW ff?? ? ? ? ? ? (32) 其中 0f 為中心頻率。 通常當(dāng)相對帶寬小于 10%時稱為窄帶放大器，相對帶寬大于 30%時稱為寬帶放大器，而相對帶寬大于 100%時稱為超寬帶放大器，考慮到噪聲系數(shù)是主要指標(biāo)，但是在寬頻帶情況下難于獲得極低噪聲，所以低噪聲放大器的工作頻帶一般不寬，較多為 20%左右 [9] 。 11 噪聲系數(shù) 在電路某一特定點上的信號功率與噪聲功率之比，稱為信號噪聲比，簡稱信噪比，用符號 sP / nP (或 S /N )表示。放大器噪聲系數(shù)是指放大器輸入端信號噪聲功率比 siP / niP 與輸出端信號噪聲功率比 soP / noP 的比值。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。影響放大器噪聲系數(shù)的因素有很多，除了選用性能優(yōu)良的元器件外，電路的拓撲結(jié)構(gòu)是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數(shù)和信號源的阻抗有關(guān)，而與負載阻抗無關(guān)。當(dāng)一個晶體管的源端所接的信號源的阻抗等于它所要求的最佳信號源阻抗時，由該晶體管構(gòu)成的放大器的噪聲系數(shù)最小。 實際應(yīng)用中放大器的噪聲系數(shù)可以表示為 ： 2m in 2204(1 ) 1s o p tns o p tRFFZ? ? ???? ? ? ? （ 33） minF 是當(dāng)源端為最佳源阻抗時放大器的最小噪聲系數(shù)， nR 是噪聲阻抗， opt?是放大器按最小噪聲系數(shù)匹配時的最佳源反射系數(shù)。由此可見放大器的輸入匹配電路應(yīng)該按照噪聲最佳來進行設(shè)計，也就是根據(jù)所選晶體管的 opt? 來進行設(shè)計。設(shè)計輸出匹配電路時采用共軛匹配，以獲得放大器較高的功率增益和較好的輸出駐波比 [6]。 圖 31 多級放大電路示意圖 當(dāng)系統(tǒng)中有多級放大器相連時，其系統(tǒng)總噪聲系數(shù)和總增益表達式為 : 2311 2 1 2 3 1 2 31 2 31 1 11nto ta lnto ta l nF F FFFG G G G G G G G GG G G G G? ? ?? ? ? ? ? ???? ?????? ???? ????? （ 34） 式中 totalF 表示多級放大器總的噪聲系數(shù) 。1F 、 2F 和 3F 分別表第一、第二和第 輸出 . . . . RF 放大 RF 放大 RF 放大 RF 放大 輸入 F1 G1 F2 G2 F3 G3 Fn Gn 12 三級的噪聲系數(shù) 。G G2和 G3分別表示第一、第二級和第三級放大器的功率增益。從上式知道，越后項分母越大，所以初級噪聲系數(shù) 1F 對總體噪聲系數(shù) totalF 的影響最大。只有 1F 盡量低，前級增益 G1和 G2足夠大，整機的噪聲性能才能足夠小 [6] 。 增益 根據(jù)線型網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益：工作功率增益、轉(zhuǎn)換功率增益、資用功率增益。對于實際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源與負載多為 50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗情況下實測的增益，一般用 dB 表示。其表達式為放大器輸出功率與輸入功率的比值： outinpG p? （ 35） 低噪聲放大器的增益要適中，太大會使下級混頻器輸入太大，產(chǎn)生失真。但為了抑制后面各級的噪聲對系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。放大器的增益首先與管子跨導(dǎo)有關(guān)，跨導(dǎo)直接由工作點的電流決定。其次放大器的增益還與負載有關(guān)。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進行設(shè)計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，以此增益 G 要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大增益大約低 2~4dB。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機噪聲系數(shù)、接收機動態(tài) 范圍等結(jié)合起來考慮。根據(jù)經(jīng)驗，一般取值在 15~20dB較為合適。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來描述工作頻帶內(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 [10] 。 穩(wěn)定性 放大器必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。這一點對于射頻電路是非常重要的，因為射頻電路在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的趨勢?？疾祀妷翰ㄑ貍鬏斁€的傳輸，可以理解這種振蕩現(xiàn)象。若傳輸線終端反射系數(shù) Γ01，則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導(dǎo)致 不穩(wěn)定的現(xiàn)象。反之，若 Γ01，將導(dǎo)致反射電壓波的幅度變小（負反饋）。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 in? 1, out? 1 時，不管源阻抗和負載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱為絕對穩(wěn)定；當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于 1時，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器，其負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，即使負載阻抗和源阻抗屬于標(biāo)準(zhǔn) 13 的阻抗，但隨著溫度、 濕度等環(huán)境的變化這些阻抗可能會發(fā)生變化，同時放大器的參數(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： 2 2 211 2212 21211 12 21222 12 2111211SSSSK S S SS S S? ? ? ?????? ? ???????? （ 36） 式中有： |||| 21122211 SSSS ??? （ 37） ? 為穩(wěn)定性判別系數(shù)，只有當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)兩端口網(wǎng)絡(luò)，則輸入輸出駐波比如下： ||1 ||1VS W R iiinnn?? ??? (38) ||1||1VS W R o u toutout?? ??? (39) 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 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 14 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 [11] 。 15 4 射頻功率 放大器設(shè)計仿真及優(yōu)化 設(shè)計 指標(biāo) 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：小于 ； 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(rèn)偏置環(huán)境是： Vce= Ic=2mA； 射頻功率 放大器設(shè)計的一般流程 ： 1) 晶體管的選??； 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 AT320xx，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(biāo)之間作出平衡、折中 的選擇。 圖 41 晶體管工作點掃描的電路 16 1 2 3 40 502468210I BB = 2 . 0 0 0 E5I BB = 3 . 0 0 0 E5I BB = 4 . 0 0 0 E5I BB = 5 . 0 0 0 E5I BB = 6 . 0 0 0 E5I BB = 7 . 0 0 0 E5I BB = 8 . 0 0 0 E5I BB = 9 . 0 0 0 E5I BB = 1 . 0 0 0 E4V CE, mAR e a d o u tm1m1V C E =I C . i = 0 . 0 0 5I B B = 0 . 0 0 0 0 6 03 . 0 0 0 3 . 0 0 0 0 . 0 1 6V C ED e vi ce P o w e rC o n su m p t i o n , W a t t sV a l u e s a t b i a s p o i n t i n d i ca t e d b y m a r ke r m 1 . M o ve m a r ke r t o u p d a t e . 圖 42 BJT 直流工作點掃描曲線 由圖表可知，晶體管 AT320xx 的靜態(tài)工作點為： VCE= ICi= IBB= 圖 43 偏置電路原理圖 17 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 1 2 3 4 50 6 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 4 0 1 0f r e q , G H zdB(S(1,2))R e a d o u tm1m1f r e q =d B ( S ( 1 , 2 ) ) = 1 8 . 8 2 42 . 4 5 0 G H z 1 2 3 4 50 651015020f r e q , G H zdB(S(2,1))R e a d o u tm2m2f r e q =d B ( S ( 2 , 1 ) ) = 6 . 5 8 82 . 4 5 0 G H z 18 f re q (1 0 0 . 0 M H z t o 5 . 1 0 0 G H z)S(1,1)2 . 4 3 0 E 90 . 4 8 0 / 1 7 4 . 5 0 0m3m3fr e q =S ( 1 , 1 ) = 0 . 4 8 0 / 1 7 3 . 5 0 0im p e d a n ce = Z 0 * ( 0 . 3 5 2 + j0 . 0 5 0 )2 . 4 5 0 G H z f re q (1 0 0 . 0 M H z t o 5 . 1 0 0 G H z)S(2,2)R e a d o u tm4m4f r e q =S ( 2 , 2 ) = 0 . 5 4 0 / 5 7 . 5 0 0im p e d a n ce = Z 0 * ( 0 . 9 9 6 j1 . 2 8 1 )2 . 4 5 0 G H z 1 2 3 4 50