基于ads的低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真-在線瀏覽
2024-08-04 00:11本頁面
【正文】 網(wǎng)絡(luò) 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。晶體管放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)50W50WGSGLGinGoutVSWRinVSWRout 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= （21）對(duì)單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為： （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， Γopt、Rn 和Γs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)。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，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= (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：= (28)當(dāng)Γs = Γopt 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)慕嵌葋砜?，輸入端是失配的，所以放大器的功率增益?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常可以從以下幾個(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，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 (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=，G1 = ，G2= ， 對(duì)于特定的晶體管S1S22是確定的，不同的源反射系數(shù)Γ1 和負(fù)載反射系數(shù)Γ2 ，可以構(gòu)成恒定增益圓，設(shè)計(jì)時(shí)只須將源和負(fù)載反射系數(shù)分別匹配到相應(yīng)的圓上，便能得到相應(yīng)的增益。另外設(shè)計(jì)中還要注意增益平坦設(shè)計(jì)主要是高端共軛匹配，低端校正，一般還需在多個(gè)中間頻率上進(jìn)行增益規(guī)定性校驗(yàn)，在高頻應(yīng)用時(shí)由于微波晶體管本身的增益一般隨著頻率的升高而降低，為了保證電路在低頻率段的增益恒定和穩(wěn)定性可以考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。S12越大，內(nèi)部反饋越強(qiáng)，反饋量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。S21越大，則放大以后的功率越強(qiáng)。 一個(gè)微波管的射頻絕對(duì)穩(wěn)定條件是： （ △=|S11*S22S12*S21| ） （212） ，K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K大于1是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當(dāng)式中的三個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。 為改善微波管自身穩(wěn)定性，有以下幾種方式： 1）串接阻抗負(fù)反饋 在MESFET的源極和地之間串接一個(gè)阻抗元件，從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。在實(shí)際的微波放大器電路中，電路尺寸很小，外接阻抗元件難以實(shí)現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋。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a，反向功率衰減為b，且a179。則＝ G0為加隔離器前的反射系數(shù)，G為加隔離器后的反射系數(shù)。 (4)隔離器本身端口駐波比要小。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加P型阻性衰減器，對(duì)改善穩(wěn)定性相當(dāng)有效。對(duì)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(dòng)態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達(dá)到幾個(gè)千兆噪聲系數(shù)為幾個(gè)分貝，而砷化鎵小信號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在1分貝以下。
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