【正文】 射頻有源電路通常都需要提供直流供電網(wǎng)絡(luò)，使射頻有源器件能工作在特定的電壓電流下，在晶體管放大電路中，偏置電路為晶體管提供合適的靜態(tài)工作點，如果偏置 電路設(shè)計不當(dāng)，會影響電路的功率增益、噪聲系數(shù)，甚至?xí)?dǎo)致放大電路的不穩(wěn)定。 由于 ATF54143 管子在工作頻帶內(nèi)的良好 的低噪聲系數(shù)性能，在 NF 條件下可以在設(shè)計輸入匹配中選用共軛匹配，所以在本低噪聲放大器中選用共軛匹配的輸入網(wǎng)路。另外，由于在某些收發(fā)信機系統(tǒng)中在低噪聲放大器前面通常會有一個濾波器，差的低噪聲放大器輸入回波損耗會惡化濾波器的性能，從而影響整個系統(tǒng)的性能。 輸入輸出匹配電路電路設(shè)計 射頻輸入端匹配在低噪聲放大器設(shè)計中通常都起著關(guān)鍵性的作用。通常，過大的源極電感量值所帶來的邊緣效應(yīng)表現(xiàn)為超高頻 端的增益值出現(xiàn)峰化及整體的合成振蕩。當(dāng)每個源端與微帶相連時，沿著微帶線的任何一點都可以連接到地端，要得到最低的電感值，只需在距元件源端最近的點上將源端焊盤與地端相連，并只有非常短的一段蝕刻。 在實際電路源端電感要做適量的調(diào)節(jié)。為確保 ATF54143 在盡可能寬的頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定，這里采取源極引入串聯(lián)感性反饋的方法，電感采用一段很細(xì)的微帶線來代替 。 圖 ATF54143 的封裝模型 ATF54143 的特征： 1. 高線性度 2. 增強型技術(shù) 3. 低噪聲系數(shù) 4. 優(yōu)異的穩(wěn)定性 5. 800 微米柵極寬度 6. 低成本的表面小封裝 SOT_343 7. 帶盤式包裝選擇 在本設(shè)計中選用的典型工作點為： VDS=3V,IDS=60mA。但是與一般的雙極型晶體管不同 ,它的偏置電壓不是 ,而是工作在大約。查閱 ATF54143 的 data sheet 文件可知它的封裝模型： 與典型的 DpHEMT 不同 ,ATF45143 并不需要在門級上加負(fù)電壓偏置 , 而是在門級加正電壓偏置。 安捷倫公司的 ATF54143 是一種增強型偽高電子遷移率晶體管 (EpHEMT)，不需要負(fù)柵極電壓，與耗盡型管相比較，可以簡化排版而且減少零件數(shù)，該晶體管最顯著的特點是低噪聲，并具有高增益、高線性度等特性，他特別適用于工作頻率范圍在 450 MHz～ 6 GHz 之間的蜂窩／ PCS／ wCDMA基站、無線本地環(huán)路、固定無線接入和其他高性能應(yīng)用中的第一 階和第二階前段低噪聲放大器電路中。 我們在選取低噪聲放大器管通?？梢詮囊韵聨讉€方面進行 考慮： 1） 微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的 fT 一般要比工作頻率高 4 倍以上，現(xiàn)在 PHEMT 場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在 2GHz 可在 左右， 工作頻率高端可達到 6GHz。 三、 低噪聲放大器的設(shè)計 放大器設(shè)計的主要流程 選擇晶體管 S 參 數(shù)，噪聲參數(shù)，功率輸出，價格 計算 K 值 K1 計算 Gma k1 計算增益 Gma 在 TS和 TL 平面內(nèi)畫出不穩(wěn)定區(qū) 假設(shè) S12=0，在頻率 f2設(shè)計 M1,M2 在穩(wěn)定區(qū)令增益 Gma，在 f2設(shè)計 M1,M2 畫出 TS和 TL多頻率的變化曲線，檢驗穩(wěn)定性 設(shè)計直流偏置電路，在檢驗穩(wěn)定性 安排整個放大器電路 核實可實現(xiàn)性 安排光刻 是 否 否 否 否 是 低噪聲放大管的選擇 低噪聲放大器 (LNA)是射頻微波電路接收前端的主要部分，由于他位于接收機的最前端，要求他的噪聲越小越好，但又要求有一定的增益，最小噪聲 和最大增益一般不能同時滿足，獲取最小噪聲和最大功率是矛盾的，一般電路設(shè)計總是選擇折中的方案來達到設(shè)計的要求，以犧牲一定的增益來獲得最小噪聲，而在射頻微波通信電路中，需要處理微弱的射頻微波信號，因此，討論合適的低噪聲放大器電路的設(shè)計具有非常實際的意義。 3）穩(wěn)定衰減器 ? 型阻性衰減器是一種簡易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施， 通常接在低 噪聲 放大器末級輸出口，有時也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級間，由于衰減器是阻型衰減，不能加在輸入口或前級的級間，以免影響噪聲系數(shù)。 用以改善穩(wěn)定性的隔離器應(yīng)該具有的特性是： (1) 頻帶必須很寬，要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩(wěn)定頻率范圍； (2) 反向隔離度并不要求太高； (3) 正向衰減只需保證工作頻帶之內(nèi)有較小衰減，以免影響整機噪聲系數(shù)，而工作頻帶外，則沒有要求。 2） 用鐵氧體隔離器 鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線與放大器之間，假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減微為 ?，反向功率衰減為 ?，且 ??1， ??1。對于雙極晶體管則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元件接地。實際設(shè)計時為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。在同樣的反饋系數(shù) S12 的情況下， S21 越大當(dāng)然反饋的功率也越 強，因此 S21 也影響放大器的穩(wěn)定性。微波管的 S21代表電壓波的正向傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。 在以上的討論中我們忽略了晶體管的反向傳輸系數(shù)，實際中微波場效應(yīng)晶體 管和雙極性晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的 S12就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。將恒定增益圓與等噪聲系數(shù)圓結(jié)合起來設(shè)計，便能得到比較理想的結(jié)果。實際設(shè)計中由于要兼顧到放大器的增益，通常我們不取最小噪聲系數(shù)。圓上每一點代表一個能產(chǎn)生恒定噪聲系數(shù) NF 的源反射系數(shù)。 2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態(tài)范圍 ,一般要求放大器工作增益大于 10dB 以上 , 當(dāng)輸入信號達到系統(tǒng)最大值時由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲，對于 ZXPCS 大基站項目由于最大輸入信號小于44dBm，考慮到放大器 13dB 左右增益，我們選取了 ATF34143 場效應(yīng)管它的增益可達 15dB， OIP3 為 30dBm左右。 低噪聲放大器設(shè)計設(shè)計的基本原則 低噪聲放 大管的選擇原則 對微波電路中應(yīng)用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達到幾個千兆噪聲系數(shù)為幾個分貝，而砷化鎵小信號的場效應(yīng)管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在 1 分貝以下。 放大器的動態(tài)范圍（ IIP3） 在低噪聲放大器的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮整個接收機的動態(tài)范圍，以免在接收機后級造成嚴(yán)重的非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點 IIP3較高一點，至少比最大輸入信號高 30dB，以免大信號輸入時產(chǎn)生非線性失真。 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。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。 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) 。 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。一般采用電感，電容或微帶線來完成匹配電路。 低噪聲放大器基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，如圖 所示。 ◢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。 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。 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。 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 。技術(shù)的進步，模型的完整使得 PHEMT 器件成為 2GHz無線電系統(tǒng)的主力器件。 ◢ 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