【正文】 .................................. 21 直流分析 DC TRacing ............................................................ 21 偏置電路的設(shè)計(jì) ........................................................................ 21 穩(wěn) 定性分析 ................................................................................. 22 噪聲系數(shù)園和輸入匹配 ............................................................. 22 最大增益的輸出匹配 ................................................................. 25 結(jié)論分析 ............................................................................................... 30 需要仿真源文件，請(qǐng)?jiān)诳臻g留言 一、設(shè)計(jì)的 背景和目的 低噪聲放大器 在無(wú)線通信系統(tǒng)中，為了提高接受信號(hào)的靈敏度，一般在接收機(jī)前端放置低噪聲放大器用來(lái)提高增益并降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。 概念 低噪聲放大器是 噪聲系數(shù)很低的放大器。在放大微弱信號(hào)的場(chǎng)合，放大器自身的噪聲對(duì)信號(hào)的干擾可能很?chē)?yán)重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。理想放大器的噪聲系數(shù) F＝ 1（ 0 分貝） ，其物理意義是輸出信噪比等于輸入信噪比。放大器的噪聲系數(shù)還與晶體管的工作狀態(tài)以及信源內(nèi)阻有關(guān)。為了兼顧低噪 聲和高增益的要求，常采用共發(fā)射極一共基極級(jí)聯(lián)的低噪聲放大電路。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(hào)，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(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。 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(chǎng)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。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。 ◢ MOSFET 金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管在 以下頻段應(yīng)用的越來(lái)越多。 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 。這是一個(gè)受柵極電壓控制的多數(shù)載流子器件。 ◢ HEMT(PHEMT 和 MHEMT)高電子遷移率器件在很多場(chǎng)合下已經(jīng)取代了MESFET 器件。 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。 自 1988 年以來(lái)，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。不斷出現(xiàn)的新材料帶來(lái)微波器件材料日新月異 發(fā)展。 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(duì)抗、射電天文、大地測(cè)繪、電視及各種高精度的微波測(cè)量系統(tǒng)中，是必不可少的重要電路。 本實(shí)驗(yàn)報(bào)告的主要研究?jī)?nèi)容 和內(nèi)容安排 本實(shí)驗(yàn)報(bào)告 的將基于 ADS 仿真設(shè)計(jì)低噪聲放大器，并優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計(jì)出符合各項(xiàng)指標(biāo)基于 ATF54143 場(chǎng)效應(yīng)管的低噪聲放大 器 。 ◢選擇本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器的晶體管，并初步設(shè)計(jì)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。 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。 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(shí)現(xiàn)放大器的最佳源匹配和共軛匹配。 晶體管是放大器的核心器件，所有的外部電路都是為了實(shí)現(xiàn)晶體管的更好的發(fā)揮功能 ，實(shí)現(xiàn)放大器的低噪聲，合適的增益和穩(wěn)定性 。 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(duì)單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)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(shí)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) 。 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(jì)算公式中可見(jiàn)，提高低噪聲放大器的增益對(duì)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(guò)高會(huì)影響整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 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?cè)谠O(shè)計(jì)低噪聲放大器的匹配電路時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計(jì)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(jì)，所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。輸入輸出駐波比計(jì)算公式： VSWR= 11 ll???? (27) 反射系數(shù) 放射系數(shù)是端口輸入電壓與輸出電壓的比值， 表達(dá)公式為： ? = uu?? (28) 當(dāng)Γ s = Γ opt 時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)最小， NF=NFmin ，但此時(shí)從功率傳輸?shù)慕嵌葋?lái)看，輸入端是失配的，所以放大器的功率增益會(huì)降低，但有些 時(shí)候?yàn)榱双@得最小噪聲，適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種 辦法。 除以上各項(xiàng)外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度等指標(biāo)也很重要，設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮。 我們?cè)谶x取低噪聲放大器管通?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)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(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在 2GHz 可在 左右，工作頻率高端可達(dá)到 6GHz。 輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)原則 對(duì)于單級(jí)晶體管放大器的噪聲系數(shù)，可以將 表達(dá)式 ? ?222m in 1 14s o p ts o p tN F R? ? ??? ? ? (29) 化成一個(gè)圓的表達(dá)式，即等噪聲系數(shù)圓。如要獲得需要的噪聲系數(shù)，只要在圓圖上畫(huà)出對(duì)應(yīng)于這個(gè)噪聲系數(shù)的圓，然后將源阻抗匹配到這個(gè)圓上的一個(gè)點(diǎn)就行了。在對(duì)放大器進(jìn)行單項(xiàng)化設(shè)計(jì)時(shí)（假定 S12＝ 0），轉(zhuǎn)移功率增益 GT可以由如下公式表示 ： GT=G0G1G2 （ 211） 其中 G0= 211S ， G1 = 2211 1111 S????， G2= 2222 2211 S