【正文】 +10 +10 +10 +10 +10 +10 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 表 22 和偏置相關(guān)的本征元件的參數(shù) +10 +10 +10 +10 +10 +10 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 3 低噪聲放大器的設(shè)計 低噪聲 放大器 （ LNA）是現(xiàn)代微波通信、雷達、 電子 戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要部件，它處于接收系統(tǒng)的前端，對 天線 接收到的微弱射頻信號進行線性放大，同時抑制各種噪聲干擾，提高系統(tǒng)靈敏度。當今 低噪聲放大器 主要采用單片微波 集成電路 （ MMIC） 技術(shù)，將所有有源器件（如雙極性 晶體管 或 場效應晶體管 ）和 無源器件 （ 如 電阻 器、 電感器 、 電容器 和傳輸線等）全部集成在一塊 半導體 晶片 上，以實現(xiàn)低噪聲放大功能，具有尺寸小、重量輕、成本低及可靠性高的特點。設(shè)計時首先根據(jù)性能指標要求選擇合適的有源器件，確定相應的工作狀態(tài)和偏置條件及器件的穩(wěn)定狀態(tài)，然后合理設(shè)計匹配電路和負反 饋電路，最后對整體電路進行優(yōu)化。 3dB 在單級放大器設(shè)計中選用 ATF55143, 該器件自身的噪聲系數(shù)很小 , 有現(xiàn)成的 ADS 器件模型 , 且為 EPHEMT 器件 , 在放大器的偏置電路設(shè)計中只需一種電源 ( 3V)即可。 基于 ADS 寬頻低噪聲放大器的設(shè)計方案 考慮指標增益要求 ,由于工作電流和尺寸大小的限制， 30 dB 的增益只能用兩級放大來實現(xiàn)（如果用三級放大，不僅尺寸要求難以保證，工作電流難以滿足，而且容易自激振蕩）。兩級級聯(lián)放大器由第一級放大、級間匹配和第二級放大三部分組成 , 其中第一級和第二級都由單級放大器設(shè)計完成。在單級放大器設(shè)計中 , 由于頻 率范圍要求較寬 ,可以采用 (頻率補償匹配網(wǎng)絡技術(shù)或 )負反饋技術(shù)，設(shè)計方案如圖 31所示。一般來說 ,一個微波管的射頻絕對穩(wěn)定條件是： 其中， D=S11S22S12S21。只有當三個條件都滿足時，才能保證放大器 是絕對穩(wěn)定的。對于潛在不穩(wěn)定的放大器，至少有兩種可選擇的途徑避開。 （ 2）引入反饋，使 K≥和 Gmax≈ Gms。 （ 1）串接阻抗負反饋 在 MESFET 的源級和地之間接一個阻抗元器件，從而構(gòu)成負反饋電路。在實際微波放大電路中，電路尺寸大小，外接阻抗器件難 以實現(xiàn)。 （ 2） 用鐵氧體隔離器 鐵氧體隔離器應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器為α，反向衰減器為β，且α≥ 1，β＞ 1，則 。 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 （ 3） 穩(wěn)定衰減器 Π型阻抗衰減器是一種簡易可行改善放大器穩(wěn)定性的器件，通常接在低噪聲放大器末級輸入口，有時也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級間。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Π型阻抗衰減器，對改善穩(wěn)定性相當有效。所以我們只要在這個基礎(chǔ)上設(shè)置放大器的偏置電路既可。 偏置電路 （ 1） 因為要進行 S 參數(shù)的仿真，所以添加了很多控件。 圖 32 加入理想直流扼流和射頻扼流的原理圖 另外，放大器的直流和交流之間的通路要添加射頻射頻直流電路，它的實質(zhì)是一個無源低通電路，使直流偏置信號（低頻信號）能傳輸?shù)骄w管引腳，而晶體管的射頻信號（頻率很高）不要進入直流通路，實際中是一個電感，有時也會加一個旁路電容接地，在這里華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 先用【 DC_Feed】直流電感 代替。 （ 2） 單擊仿真圖標進行仿真。Attributs”對話框，選擇顯示“ MaxGain1”和“ Stabfact1”的曲線，單擊【 OK】。 圖 33 最大增益和穩(wěn)定系數(shù) K的曲線 從圖 33 可以看出，在 時，最大增益為 ,穩(wěn)定系數(shù)為 K=,小于 1。 負反饋電路 寬帶放大器設(shè)計的主要障礙是有源器件的增益帶寬積的制約，即有源器件的增益在頻率高端隨著頻率的增加以 6 dB/倍頻程下降。 前者使用器件較多，電路復雜，而負反饋電路結(jié)構(gòu)簡單，一般是在晶體管的輸入和輸出端口之間串聯(lián)一個電阻和一個電容 或者再加一個電感 ， 其中電容的作用是防止反饋網(wǎng)絡對晶體管的直流偏置產(chǎn) 生影響；電感的作用是減少放大器在頻率高端的反饋量，抵消放大器的增益隨頻率增加而降低，通過調(diào)節(jié)電感的大小可以調(diào)節(jié)放大器增益的平坦度。 負反饋式放大器具有如下明顯的優(yōu)點：降低整個電路對晶體管自身性能變化的敏感度；獲得較好的輸入阻抗匹配和較低的噪聲系數(shù)；增大工作頻帶內(nèi)放大器的穩(wěn)定性；增加放大器的線性度等。 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 本設(shè)計采用負反饋電路形式， 在柵極和漏極添加串聯(lián)的電阻和電感作為負反饋。 圖 34 反饋電路 （ 1） 將圖 34中的負反饋電路加入直流偏置電路中。 （ 3）本設(shè)計中電源部分用了扼流電感“ LGQ”和“ GRM” ,對射頻信號進行阻隔和旁路。 圖 35 低噪放的一級放大電路圖 （ 4） 仿真結(jié)果如圖 35所示，全部換成真實器件后穩(wěn)定系數(shù)和增益基本達到要求。 圖 37 兩級低噪聲放大器電路圖 （ 8）仿真結(jié)果如圖 38 所示，由最大增益的圖表可以看出在 90MHz 時，最大增益為；在 3GHz 時，最大增益為 ，而在 90MHz3GHz 頻率范圍內(nèi)，最大增益的最大值為 ，最大增益的最小值為 。 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 圖 38 兩級放大電路的仿真結(jié)果 阻抗匹配 阻抗匹配的概念是射頻電路設(shè)計中最為基本的概念之一，貫穿射頻電路設(shè)計始終。然而，他們的功能并不僅限于實現(xiàn)理想功率傳輸而在源和負載之間進行阻抗匹配。通常認為，匹配網(wǎng)絡的用途就是實現(xiàn)阻抗變換，就是將給定的阻抗 值變換成其他更合適的阻抗值。 微帶線匹配 (1)輸入輸出阻抗測試 打開兩級放大電路原理圖，插入兩個阻抗測試控件，分別測試兩級放大器的輸入阻抗 Z11 和輸出阻抗 Z22。 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 圖 39 放大器的輸 入阻抗 Z11和輸出阻抗 Z22 （ 2） 選擇 TLinesMicrostrip 元件面板，并在其中選擇微帶線參數(shù)配置工具 MSUB并插入到原理圖中。雙擊 SSMtch 電路，按照下面內(nèi)容進行參數(shù)設(shè)置（將 Zload 設(shè)置為 是的 Z11=+j*）： Subst=“ MSub1” ,這表示微帶線的電氣參數(shù)有控件 MSub1 決定 F=，這表示進行電阻匹配時頻率為 Zin=50Ω，表示匹配的目標值為 50Ω Zload=+j*，這是由前面仿真結(jié)果得到的 單擊【 OK】按鈕完成參數(shù)設(shè)置。選擇 Passive Curcuit DesignGuide窗口中 Design Assistant 選項卡，并單擊 Design 按鈕，系統(tǒng)將自動完成設(shè)計過程。從 圖 310 中可以看到組成 SSMtch 電路的各段微帶線參數(shù)。在實際電路中并不代表任何實際電路的長度。如圖 311所示為兩級放大電路在 時 Z22=+j* 的輸出阻抗匹配電路圖。這里， Term1 作為源， Term2 作為負載。 圖 313 SmithChartMatch 方向 因為工作頻率是 ~ GHz，所以在 SPARAMETERS 控件里設(shè)置從 0~，步長為。 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 圖 314 設(shè)置 SmithChartMatch 控件參 在圖 3 里 ， 關(guān) 鍵 的 設(shè) 置 有 Fp=50MHz ， SourceType=Complex Impedance ，SourceEnable=True, 源阻抗 Zg=50 Ohm ， SourceImpType=Source Impedance ，LoadType=Complex Impedance， LoadEnable=True，負載阻抗 Zl =+j*，其它參數(shù)采用默認值。 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 圖 315 “ Smith Chart Utility”對話框 （ 6）在圖 314 中，要圈出的地方需要設(shè)置 Freq 和 Zo，這里要設(shè)置為 Freq=，Zo=50Ohm，單擊【 Define Source/Load Network Terminations】按鈕，彈出“ Network Terminations”對話框，如圖 316所示，在這里可以設(shè)置源和負載的阻抗。設(shè)置完成后依次單擊【 Apply】和【 OK】按鈕，可以看到源（小圓標記）和負載（方形標記）阻抗點都顯示在 Smith 原圖上了，如圖 317所示。 圖 318 匹配過程 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 采用 LC分立器件匹配過程如圖 7 所示。查看匹配電路如圖 319所示 。 圖 321 輸出阻抗匹配電路圖 整體電路的仿真與分析 經(jīng)過以上的設(shè)計， 將匹配網(wǎng)絡添加到兩級放大電路中 。再在原理圖中添加駐波比測量控件 和穩(wěn)定系數(shù) 測量空間 。 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 圖 322 寬頻低噪聲放大器的電路圖 單擊仿真按鈕，仿真結(jié)束后，在數(shù)據(jù)顯示窗口中分別加入穩(wěn)定系數(shù)、噪聲系數(shù) 和駐波比以及放大器的 S 參數(shù)的矩形圖如圖 323 所示。在 S 參數(shù)矩形圖中可以看出增益系數(shù) S21 在頻率范圍內(nèi)增益 的 最小值為 S21min= dB、最大值為 S21max=,差值約為 6dB，基本滿足設(shè)計目的。通過采用 ADS 技術(shù) , 在放大器設(shè)計各個階段進行仿真和優(yōu)化 , 并對單級和兩級級聯(lián)放大器進行了電磁仿真 , 仿真結(jié)果均完全滿足性能指標要求。但是需要說明的是 , 如果對增益平坦度的要求高 , 則必須在單級放大器設(shè)計中對輸入輸出匹配提出更高的要求 , 相應的增益也會有所下降 ,在兩級級聯(lián)時則要求更好的隔離 , 會對級間匹配提出更高的要求。 華北電力大學 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 40 致謝 本文的工作是在 羅光肖 老師的悉心指導下完成的。在工作進行的，同時 他 給我提出了許多寶貴的建議。因此首先要誠摯地感謝 羅 老師于百忙之中給予我的所有關(guān)心和幫助。 本文的工作是我在這四年大學學習生活的一點總結(jié)和考驗。在今后的學習工作中，我將再接再厲，努力工作。 感謝我們班的每一位同學，永遠記得與他們共同度過的這四年時 光，這是一筆寶貴的財富，從他們身上我學到了很多很多，他們同時也給了我許多幫助。 最后還要感謝我的父母，對我無微不至的關(guān)懷與支持。 謹以此文獻給所有關(guān)心我的親人和朋友。 Wouter A． Serdijn andJohn R． Long． Matching of LowNoise Amplifiers at HigII Frequencies[J]． Circuits and Systems， 2020， l： I32i!324． [38] S． P． Voinigeseu et a1． A Scalable HighFrequency Noise Model for Bipolar Transistors with Application to Optimal Transistor Sizing for LowNoise Amplifier Design[J]． IEEE Journal SSC， 1997,32(09)： 14301439． [39] D． K． Shaeffer and T． H． Lee． A 1． 5V 1． 5GHz CMOS Low Noise Amplifier[J]． IEEE Journal SSC， i997,32(05)： 745759．