【正文】 前端放置低噪聲放大器用來提高增益并降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。一般用作各類無線電接收機(jī)的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測(cè)設(shè)備的放大電路。由放大器所引起的信噪比惡化程度通常用噪聲系數(shù) F 來表示。現(xiàn)代的低噪聲放大器大多采用晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管； 微波低噪聲放大器則采用變?nèi)荻O管參量放大器 ，常溫 參放的 噪聲 溫度 Te 可低于幾十度(絕對(duì)溫度 )，致冷參量放大器可達(dá) 20K 以下，砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管低噪聲微波放大器的應(yīng)用已日益廣泛，其噪聲系數(shù)可低于 2 分貝。在工作頻率和信源內(nèi)阻均給定的情況下，噪聲系數(shù)也和晶體管直流工作點(diǎn)有關(guān)。 主要功能 隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)各種無線通訊工具的要求也越來越高，功率輻射 小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營(yíng)商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，這就對(duì)系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求，我們知道，系統(tǒng)接收靈敏度的計(jì)算公式如下： S=174+ NF+10 ㏒ BW+S/N 由上式可見，在各種特定（帶寬、解調(diào) S/N 已定）的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù) NF，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù). . 的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器。 主要應(yīng)用領(lǐng)域 低噪聲放大器可以使接收機(jī)接受的的微弱信號(hào)放大，并降低噪聲的干擾，無失真的將信號(hào)放大傳給下一級(jí)電路，是通信系統(tǒng)中重要的前端必備電路，因此低噪聲放大器廣泛應(yīng)用于 微波通信、 GPS 接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對(duì)抗及各種高精度測(cè)量系統(tǒng)等領(lǐng)域中，是現(xiàn)代 IC 技術(shù)發(fā)展中必不可少的重要電 路。 微波晶體管是較晚開發(fā)的三電極半導(dǎo)體器件 ,由于其性能優(yōu)越 .迅速獲得了廣泛應(yīng)用 .并不斷地向高頻率、大功率、集成化推進(jìn) .基本作用是放大器，已基本上取代了參放 .部分地代替行數(shù) .在其它電路中也可使用 ,如 :混頻器 ,倍頻器 ,振蕩器 ,開關(guān)等 . 目前 ,廣泛應(yīng)用及有前景的元件主要有以下五種 . ◢ BJT 雙極結(jié)晶體管是普通三極管向射頻與微波頻段的發(fā)展。 VBIC 模型是 GummelPoon 模型的發(fā)展伸； MEXTRAM 模型零極點(diǎn)少，故比 Philips 模型收斂快。 雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 DMOS是 CMOS晶體管向高頻的發(fā)展 ,側(cè)面雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 LDMOS 器件是大功率微波放大器件。 ◢ MESFET金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管是在 GaAs基片上上同時(shí)實(shí)現(xiàn)肖特基勢(shì)壘結(jié)和歐姆接觸。這種器件的非線性模. . 型 MESFET/HEMT 由幾個(gè)著名器件和軟件廠商給出，還在不斷完善。 1980 年提出的這種器件，近幾年來才有大量工程應(yīng)用。 ◢ 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(zhǎng)的發(fā)展工程，而 1985 年出現(xiàn)的 SiGe BJT 最大結(jié)溫 Tj,max 僅為155℃呈現(xiàn)出良好的微波特性。技術(shù)的進(jìn)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。 SiC和 GaN 的發(fā)明已經(jīng)使得 FET 實(shí)現(xiàn)大高功率器件， N 溝道 MOSFET 有望擔(dān)綱 60GHz器件 。 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。 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(xiàng)基本指標(biāo)，低噪聲放大器的一般設(shè)計(jì)過程。 ◢利用 ADS 軟件仿真設(shè)計(jì)低噪聲放大器，并完成電路圖的設(shè)計(jì)。 . . 第二章 低噪聲放大器的 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 。 圖 二端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 微波晶體管放大器 輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 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 . . 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 opts optN 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)。 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= 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)慕嵌葋砜?，輸入端是失配的，所以?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 opts optN 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???? ， 對(duì)于特定的晶體管 S1 S22是確定的，不同的源反射系數(shù)Γ 1 和負(fù)載反射系數(shù)Γ 2 ，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 ： 22 21 1 2 21 2 2 11 2SSSS ?? （ △ =|S11*S22S12*S21| ） （ 212） 2 12 2111 1S S S?? ， 2 12 2122 1S S S?? 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。則 ? ＝ 0??? ?0 為加隔離器前的反射系數(shù)， ? 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 ? 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。 2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動(dòng)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(hào)達(dá)到系統(tǒng)最大值時(shí)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(duì)于 ZXPCS 大基站項(xiàng)目由于最大輸入信號(hào)小于 44dBm，考慮到放大器 13dB 左右增益，我們選取了 ATF34143 場(chǎng)效應(yīng)管它的增益可達(dá)15dB， OIP3 為 30dBm左右。 本設(shè)計(jì)采用安捷倫公司的 ATF54143， ATF54143 是一種增強(qiáng)型偽高電子遷移率晶體管 (EpHEMT)，具有噪聲低，增益高，線性范圍大等特點(diǎn)，是做 2GHz 頻率低噪聲放大器的很好的選擇。因此 ,atf54143 的偏置電路更像是雙極型晶體管的偏置電路。 其封裝模型如圖 所示。 穩(wěn)定性計(jì)算 穩(wěn)定判別公式： 22 21 1 2 21 2 2 11 2SSSS ?? （ △ =|S11*S22S12*S21| ） （ 31） 查看 Data sheet 計(jì)算出在 f= 附近時(shí)的 K 值，此時(shí)管子的 S 參數(shù)如下： S11=* S12=+j* S21=+j* S22=* K=， K1， 可知該管子在該頻率附近不是絕對(duì)穩(wěn)定的， 由于 AFT54143 在工作頻段內(nèi)不是絕對(duì)穩(wěn)定的，為了提高放大器的穩(wěn)定性， 可以 在輸出端并聯(lián)一個(gè). . 100Ω 的電阻。 在源極串聯(lián)電感后，可以增加晶體管雙端口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗的實(shí)部，而虛部基本保持不變，使其逐漸與最佳噪聲匹配的阻抗重合；另一方面，增加一個(gè)無源元件不會(huì)使晶體管的噪聲 性能惡化其反饋量對(duì)于帶內(nèi)帶外的電路增益、平穩(wěn)性和輸入輸出回波損耗有著巨大的作用 。放大器 PCB 板的設(shè)計(jì)考慮到源端的電感量是變化的。放大器的每一段源端蝕刻與相應(yīng)的地端相連的長(zhǎng)度大約有 0． 05 英寸 (是從源端邊緣與其最近的第一個(gè)地過孔邊緣間測(cè)得 )，剩余并末使用的源端蝕刻可切斷除去。為避免這種情況，在初始 LNA 的設(shè)計(jì)原型階段，盡量準(zhǔn)確地確定源端電感的量值，并且仿真中也要調(diào)節(jié)源端電感量的大小，找出最優(yōu)值優(yōu)化 LNA 性能。其不僅僅被用于獲得低的噪聲系數(shù)，同時(shí)它還可以用于獲得更高的 IIP3，更高的增益以及輸入回波損耗。因此，輸入端匹配的目的就是在保持較好的增益和 IIP3 的同時(shí)獲取更好的回波損耗和噪聲系數(shù)。 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)，故在次設(shè)計(jì)中我們采用輸出共軛匹配網(wǎng)絡(luò)。 安捷倫公司的 ATF54143 是一種增強(qiáng)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(jiǎn)化排版而且減少零件數(shù) ，在此設(shè)計(jì)中柵極和漏極采用同一電源提供工作電壓。根據(jù) 器件 特性選擇最佳條件，這里選取 ATF54143 的典型直流工作點(diǎn)參數(shù)： Vds=3V，Ids=60mA；偏置 的方式采用了電阻偏置，它有較好的溫度穩(wěn)定性。當(dāng) Vgs=0V， 漏極只有少量的電流通過，只有當(dāng) Vgs≧ Vto（柵極門電壓）時(shí)漏極才有電流通過。在 data sheet 中已經(jīng)標(biāo)出最小和最大的 Vgs 電壓。 電路中需要注意的一些問題 在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，