基于a_ds的低噪聲放大器設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)論文-閱讀頁(yè)
2025-07-27 09:18本頁(yè)面
【正文】 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(lái)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= 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(wú)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(guò)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(guò)，只有當(dāng) Vgs≧ Vto（柵極門電壓）時(shí)漏極才有電流通過(guò)。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(wèn)題 在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，以免在接收機(jī)后級(jí)造成嚴(yán)重的非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點(diǎn) IIP3較高一點(diǎn)，至少比最大輸入信號(hào)高 30dB，以免大信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生非線性失真。 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)。 一般對(duì)于低噪聲放大器采用高 Q 值的電感完成偏置和匹配功能，由于電阻會(huì)產(chǎn)生附加的熱噪聲，放大器的輸入端應(yīng)盡量避免直接連接到偏置電阻上。 四、設(shè)計(jì)目標(biāo) 本實(shí)例采用的是高電子遷移率晶體管 ATF54143 芯片進(jìn)行低噪聲放大器設(shè)計(jì)。增益約為 16dB，因此就把該點(diǎn)作為晶體管的直流工作點(diǎn)。后面會(huì)用相近的常規(guī)標(biāo)稱值電阻代替。另外 ，放大器的直流和交流通路之間要添加射頻扼流電路，它實(shí)際上是一個(gè)無(wú)源低通電路，使直流信號(hào)能夠傳輸?shù)骄w管引腳。 在此時(shí)，整個(gè)電路在低頻端不穩(wěn)定， 并且低頻段的增益還是比較高，實(shí)際電路中可能會(huì)引起自激振蕩，解決此問(wèn)題的辦法就是用較小的截止阻抗。 得到等增益圓和噪聲系數(shù)圓如下： c i r _ p t s ( 0 . 0 0 0 t o 5 1 . 0 0 0 )GaCircleR e a d o u tm4m6circleDatam5m4i n d e p ( m 4 ) =G a C i r c l e = 0 . 8 0 9 / 1 4 6 . 2 7 9g a i n = 1 6 . 1 5 3 2 9 6i m p e d a n c e = Z 0 * ( 0 . 1 1 5 j 0 . 2 9 9 )51m6i n d e p ( m 6 ) =G a C i r c l e = 0 . 5 1 5 / 1 2 6 . 8 1 1g a i n = 1 5 . 1 5 3 2 9 6i m p e d a n c e = Z 0 * ( 0 . 3 9 1 j 0 . 4 3 8 )50m5i n d e p ( m 5 ) =c i r c l e D a t a = 0 . 3 2 4 / 1 4 3 . 5 7 6n s f i g u r e = 0 . 4 9 0 6 4 5i m p e d a n c e = Z 0 * ( 0 . 5 5 1 j 0 . 2 3 6 )51 由該圖可知， m4 有最大增益時(shí)的輸入阻抗，此時(shí)最大增益為 。 對(duì)于低噪聲放大器，首先考慮的是噪聲系數(shù)，所以這里優(yōu)先考慮噪聲系數(shù)。 ADS 提供了 許多的匹配工具，這里采用 DA SmithChartMatch 進(jìn)行匹配 。 得到其匹配子電路如下： 最大增益的輸出匹配 最大增益輸出匹配需要滿足： 負(fù)載 50 歐姆在加入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)后的等效負(fù)載需要為輸出端阻抗的共軛值。 結(jié)論分析 由以上系列圖可知： 輸出反射小于 27dB,輸出反射參數(shù)接近 13dB，穩(wěn)定性 1,最小噪聲系數(shù)達(dá)到，增益達(dá)到 17dB 左右，基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，只有輸出駐波比為 左右。
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