【正文】 上的信號(hào)功率與噪聲功率之比，稱為信號(hào)噪聲比，簡(jiǎn)稱信噪比，用符號(hào) sP / nP (或 S /N )表示。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號(hào)通過(guò)放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。放大器的噪聲系數(shù)和信號(hào)源的阻抗有關(guān)，而與負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中放大器的噪聲系數(shù)可以表示為 ： 2m in 2204(1 ) 1s o p tns o p tRFFZ? ? ???? ? ? ? （ 33） minF 是當(dāng)源端為最佳源阻抗時(shí)放大器的最小噪聲系數(shù)， nR 是噪聲阻抗， opt?是放大器按最小噪聲系數(shù)匹配時(shí)的最佳源反射系數(shù)。設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)采用共軛匹配，以獲得放大器較高的功率增益和較好的輸出駐波比 [6]。1F 、 2F 和 3F 分別表第一、第二和第 輸出 . . . . RF 放大 RF 放大 RF 放大 RF 放大 輸 入 F1 G1 F2 G2 F3 G3 Fn Gn 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 三級(jí)的噪聲系數(shù) 。從上式知道，越后 項(xiàng)分母越大，所以初級(jí)噪聲系數(shù) 1F 對(duì)總體噪聲系數(shù) totalF 的影響最大。 增益 根據(jù)線型網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益：工作功率增益、轉(zhuǎn)換功率增益、資用功率增益。其表達(dá)式為放大器輸出功率與輸入功率的比值： outinpG p? （ 35） 低噪聲放大器的增益要適中，太大會(huì)使下級(jí)混頻器輸入太大，產(chǎn)生失真。放大器的增益首先與管子跨導(dǎo)有關(guān)，跨導(dǎo)直接由工作點(diǎn)的電流決定。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)的。噪聲最 佳匹配情況下的增益成為相關(guān)增益。所以，一般來(lái)說(shuō)低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來(lái)考慮。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來(lái)描述工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏 , 常用最高增益與最小增益之差，即△ G(dB)表示 [10] 。這一點(diǎn)對(duì)于射頻電路是非常重要的，因?yàn)樯漕l電路在某些工作頻率 和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的趨勢(shì)。若傳輸線終端反射系數(shù) Γ01，則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導(dǎo)致不穩(wěn)定的現(xiàn)象。當(dāng)放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小于 1,即 in? 1, out? 1 時(shí)，不管源阻抗和負(fù)載阻抗如何，網(wǎng)絡(luò)都是穩(wěn)定的，稱為絕對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)輸入端或輸出端的反射系數(shù)的模大于 1 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定 。如果有源器件滿足絕對(duì)穩(wěn)定條件，可以簡(jiǎn)化放大電路的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。而一個(gè)晶體管的射頻穩(wěn)定條件是： 2 2 211 2212 21211 12 21222 12 2111211SSSSK S S SS S S? ? ? ?????? ? ???????? （ 36） 式中有： |||| 21122211 SSSS ??? （ 37） ? 為穩(wěn)定性判別系數(shù)，只有當(dāng)式 （ 36） 中的 3 個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的。此外，由于微 波場(chǎng)效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以 6 dB 規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶 內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無(wú)耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來(lái)壓天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 4 低噪聲放大器設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化 指標(biāo)目標(biāo) 及設(shè)計(jì)流程 工作頻帶 ： ~； 帶內(nèi)增 益 ：大于 15dB； 噪聲系數(shù) ：小于 2dB； 輸入輸出駐波比：小于 ； 穩(wěn)定性：絕對(duì) 穩(wěn)定 ； 反向電壓增益：小于 10dB，大于 30dB； 設(shè)計(jì)的默認(rèn)偏置環(huán)境是： Vce= Ic=2mA； 低噪聲放大器設(shè)計(jì)的一般流程 ： 1) 晶體管的選??； 2) 直流偏置設(shè)計(jì)； 3) 穩(wěn)定性設(shè)計(jì) ； 4) 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)； 5) 整體優(yōu)化仿真； 6) 版圖設(shè)計(jì)； 選取晶體管并仿真晶體管參數(shù) 本文 選取晶體管 AT32020，對(duì)其參數(shù)的仿真的原理圖如下： 放大器的一個(gè)基本任務(wù)是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，這就要求晶 體管 放大器必須設(shè)置穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。這些性能參數(shù)常常相互矛盾、彼此制約， 因此，在考慮靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，通常要在各種特定指標(biāo)之間作出平衡、折中 的選擇。只有同時(shí)滿足上面三個(gè)條件時(shí)，放大器才能保證絕對(duì)穩(wěn)定，有任何一個(gè)條件不滿足，都將是潛在不穩(wěn)定的。SSKD?? （ 43） 對(duì)于放大器的穩(wěn)定因子 ，有如下三個(gè)特性 ： (1)在網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端口（或其中一個(gè)端口）上串聯(lián)或并聯(lián)相應(yīng)的電阻或電導(dǎo)，則網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定系數(shù)會(huì)增大，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性將得到提高。 (3)在用任何電阻或電導(dǎo)改變網(wǎng)絡(luò)參量的歸一化時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)不變。 (1)在每個(gè)源極引線和地之間加電感可引起串聯(lián)反饋，它所起的作用隨頻率不同而不同。 (2)在漏極串聯(lián)或并聯(lián)阻性負(fù)載是獲得寬帶穩(wěn)定性最簡(jiǎn)單易行的方法，阻性負(fù)載能夠在很寬的頻段內(nèi)使器件產(chǎn)生等阻抗，其惟一的缺點(diǎn)是由于在阻性終端有一些能量消耗，降低了輸出功率。 且 在不穩(wěn)定情況下， 匹配電路要特別注意，其負(fù)載反射系數(shù) ? 有特殊的要求，這將在匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中說(shuō)明。 設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 匹配原理 在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，一般有以下幾種原 則：一是以達(dá)到最大功率增益為目標(biāo)；二是以達(dá)到最穩(wěn)定增益為目標(biāo)；三是要達(dá)到某一確定的增益值（小于最大增益）；四是以達(dá)到最小噪聲系數(shù)為目標(biāo)。對(duì)于低噪聲放大器， 注重的是要求放大器有極低的噪聲系數(shù)同時(shí)又能得到一定的增益，這樣就必須在噪聲和增益之間取折中方案 。對(duì)于不同的設(shè)計(jì)原則，相應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也就不一樣。因此，必須找到一種折中的輸入匹配方法來(lái)滿足最佳噪聲系數(shù)和最佳輸入反射回?fù)p的性能。利用 （ 4－ 7） 式可以在 s? 平面上畫(huà)出一組等噪聲系數(shù)圓。畫(huà)出圖來(lái)我們還能發(fā)現(xiàn)，通過(guò)圓圖原點(diǎn)的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù) 0F 就是信號(hào)源端匹 配時(shí)（ s? =0）的噪聲系數(shù)，不包圍圓圖原點(diǎn)的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù) F 將在下列范圍： minF ? F ? 0F ，包圍圓圖原點(diǎn)的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù) F 將在下列范圍： minF ? F ? 0F 。在 我們得到最小噪聲系數(shù)的源反射系數(shù)時(shí)，就可以來(lái)設(shè)計(jì)輸入匹配電路了 。這樣我們就可以通過(guò)阻抗變換的方法設(shè)計(jì)出需要的輸入匹配電路。 對(duì)于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在多級(jí)的情況下，為了達(dá)到更高的功率增益 ，其輸出匹配采用共軛匹配的形式。對(duì)于 1SK? 的放大器都是可以匹配的，當(dāng) 1SK? 時(shí)，理論上可以進(jìn)行匹配，但實(shí)際上不可行，因?yàn)橛善浞瓷湎禂?shù)可知，這是一種純電抗性匹配，而現(xiàn)實(shí)中的元件都是有電阻性分量的。當(dāng) sK 1時(shí)，無(wú)論是理論上還是在實(shí)際上都不能匹配成功。 由于我們制作放大器已經(jīng)首先選擇了穩(wěn)定的參數(shù)，所以其總是可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙端口的匹配，在輸入口已經(jīng)進(jìn)行了最小噪聲系數(shù)的匹 配，在輸出口我們可以利用下面的公式計(jì)算出輸出口的負(fù)載反射系數(shù)： 22 42L B B CC???? (48) 其中 2 2 22 2 1 11 SB S S D? ? ? ?。 （ 2） 22S 曲線在中心頻率處的值為 ，表明輸出匹配不好。 設(shè)計(jì)并優(yōu)化輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 從 圖 414 可以看出，只添加輸入匹配網(wǎng)絡(luò)不能滿足技術(shù)指標(biāo)，下面同時(shí)添加輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。利用優(yōu)化控件 Optim 和目標(biāo)控件 GOAL,如圖所示： 圖 416 設(shè)置 完成的優(yōu)化控件和目標(biāo)控件 優(yōu)化后 查看仿真 2 4 6 0 0 3 4 5 6 2 7f r e q , G H znf(2)R eadoutm1m2m1f req=nf (2)= 1. 7602. 400GH zm2f req=nf (2)= 1. 7252. 500GH z 2 4 6 0 016. 5616. 5416. 5216. 5016. 4816. 4616. 5816. 44f r e q , G H zdB(S(1,2))R e a d o u tm1m2m1f r e q =d B ( S ( 1 , 2 ) ) = 1 6 . 5 6 92 . 4 0 0 G H zm2f r e q =d B ( S ( 1 , 2 ) ) = 1 6 . 4 5 62 . 5 0 0 G H z 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 圖 417 噪聲系數(shù) 圖 418 反向電壓增益 2 4 6 0 0 30 35 40 45 50 25 55f r e q , G H zStabFact1R eadoutm3m4m3f req=St abF ac t 1= 1. 0262. 400GH zm4f req=St abF ac t 1= 1. 0512. 500GH z 2 4 6 0 017. 617. 818. 017. 418. 2f r e q , G H z2*dB(S(2,1))R eadoutm5m6m5f req=2* dB(S(2 , 1))= 18. 1232. 400GH zm6f req=2* dB(S(2 , 1))= 17. 4652. 500GH z 圖 418 K 因子 圖 419 增益 2 4 6 0 0 70 75 80 65 85f r e q , G H zVSWR1R eadoutm7m8m7f req=V SW R 1= 1. 2672. 400GH zm8f req=V SW R 1= 1. 2832. 500GH z 2 4 6 0 0 0 2 4 6 8 0f r e q , G H zVSWR2R eadoutm9m 10m9f req=V SW R 2= 3. 0932. 400GH zm 10f req=V SW R 2= 2. 9882. 500GH z 圖 420 輸入和輸出駐波比 VSWR1 和 VSWR2 由仿真圖可以看出，在頻段 ~， a) K1,說(shuō)明系統(tǒng)處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)； b) ＜ S12＜ ，說(shuō)明具有良好的輸入輸出隔 離度； c) Nf(2),說(shuō)明噪聲系數(shù)達(dá)到指標(biāo)； d) VSWE1, 說(shuō)明輸入駐波比達(dá)到指標(biāo)； e) 增益 G， 說(shuō)明增益達(dá)到指標(biāo) ； f) VSWE2, 說(shuō)明輸出駐波比沒(méi)有達(dá)到指標(biāo)； 設(shè)計(jì)到目前為止，只有輸出駐波比沒(méi)有達(dá)到指標(biāo)。 二級(jí)級(jí)聯(lián)的原理圖如下： 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 圖 421 二級(jí)級(jí)聯(lián)放大器原理圖 對(duì)此原理圖進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下所示 ： 2 4 6 0 0 0 2 4 6 8 8 0f r e q , G H znf(2)R eadoutm1m2m1f req=nf (2)= 2. 283opt I t er= 1482. 400GH zm2f req=nf (2)= 2. 387opt I t er= 1482. 500GH z 2 4 6 0 0 6 8 0 2 4 4 6f r e q , G H zVSWR1R eadoutm3m4m3f req=V SW R 1= 1. 055opt I t er= 1482. 400GH zm4f req=V SW R 1= 1. 159opt I t er= 1482. 500GH z 圖 422 噪聲系數(shù)