低噪声放大器的设计培训.ppt

第六讲 低噪声放大器设计 放大器是射频与微波电路中最基本的有源电路模块。 常用的放大器有低噪声放大器、宽频带放大器和功率放大器。 本课程只讨论低噪声放大器与功率放大器。 本讲座针对低噪声放大器。 放大器技术指标—噪声系数与噪声温度 放大器技术指标—噪声系数与噪声温度 放大器技术指标—功率增益 功率增益与噪声系数 放大器技术指标—增益平坦度 增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，常用最高增益与最小增益之差，即△G(dB)表示，如下图所示。 放大器技术指标—工作频带 考虑到噪音系数是主要指标，但是在宽频带情况下难于获得极低噪音，所以低噪音放大器的工作频带一般不大宽，较多为20％上下。 工作频带不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪音要满足要求，并给出各频点的噪音系数。 放大器技术指标—动态范围 放大器技术指标—端口驻波比和反射损耗 低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。 此外，由于微波场效应晶体或双极性晶体管，其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB规律随频率升高而下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压低增益，以保持带内增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升高。 放大器的稳定性 带有输入、输出匹配电路放大器的一般表示 如果只关心放大器的外部特性，放大器可当作一个二端口网络，其输入、输出之间的关系可表示为 式中a1 、b1分别为输入端口P1面上的归一化入射波、反射波电压；a2、 b2分别为输出端口P2面的归一化入射波、反射波电压。 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 1、增益与负载有关，输入输出匹配时输出最大 如果输入匹配电路和输出匹配电路使微波器件的输入阻抗Zin和输出阻抗Zout都转换到标准系统阻抗Z0，即Zin = Z0， Zout = Z0（或?S = ?1*，?L = ?2*）就可使器件的传输增益最高。 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 2、输入、输出匹配时，噪声并非最佳。相反有一定失配，才能实现噪声最佳。 对于MES FET（金属半导体场效应晶体管）来说，其内部噪声源包括热噪声、闪烁噪声和沟道噪声。这几类噪声是相互影响的，综合结果可归纳为本征FET栅极端口的栅极感应噪声和漏极端口的漏极哭声两个等效噪声源。这两个等效噪声源也是相关的，如果FET输入口（即P1面）有一定的失配，这样就可以调整栅极感应噪声和漏极噪声之间的相位关系，使它们在输出端口上相互抵消，从而降低了噪声系数。对于双极型晶体管也存在同样机理。 根据分析，为获得最小的FET本征噪声，从FET输入口P1面向信源方向视入的反射系数有一个最佳值，用?out表示。当改变输入匹配电路使呈现 ?S = ?out 此时，放大器具有最小噪声系数Nfmin，称为最佳噪声匹配状态。 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 输入、输出不匹配时，增益将下降。因为负载是复数，有可能在不同的负载下得到相同的输出，经分析在圆图上，等增益线为一圆，这个圆叫等增益圆。 当输入匹配电路不能使信源反射系数?S和最佳反射系数?opt（噪声系数最小时的反射系数）相等时，放大器噪声将增大。由于?S是复数，不同的?S值有可能得到相同的噪声系数，在圆图上噪声系数等值线为一圆，叫等噪声圆。 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 等噪声源、等增益圆是我们设计输入输出匹配电路，尤其输入匹配电路的依据。 低噪声放大器设计的依据与步骤 依据： 满足规定的技术指标 噪声系数（或噪声温度）；功率增益；增益平坦度；工作频带；动态范围 2. 输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50? 步骤： 放大器级数 晶体管选择 电路拓朴结构 电路初步设计 用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟 电路设计原则 在优先满足噪声小的前提下，提高电路增益，即根据输入等增益圆、等噪声圆，选取合适的?S ，作为输入匹配电路设计依据。 输出匹配电路设计以提高放大器增益为主， ?out = Z0 （ ?L = ?2*） 满足稳定性条件 结构工艺上易实现 电路设计——基本电路模块 输入匹配电路模块 输出匹配电路模块 低噪声放大器一般不止一级，还有级间匹配电路模块。 输入匹配电路——要求 要求：Zout = Zopt ?out = ?opt 输入匹配电路——结构类型 并联导纳型匹配电路 阻抗变换型匹配电路 微带电路拓扑结构的选择原则 （1）微波的高频段，比如工作频率在X波段或更高，宜选用微带阻抗跳变式的阻抗变换器类， （2）对于微波的低频段，例如S波段或更低端，宜选用分支微