低噪声放大器设计的依据和步骤满足规定的技术指标噪声系数或.DOC

低噪声放大器设计的依据和步骤： 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； 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（为了便于设计和学习，我们选择一级） 晶体管选择 电路拓朴结构 电路初步设计 用 CAD 软件（如 ADS2009）进行设计、优化、仿真模拟 一、 低噪声放大器的主要技术指标 1．LNA 的噪声系数和噪声温度 放大器的噪声系数 NF 可定义如下 NF ? Sin / Nin Sout / Nout 式中，NF 为微波部件的噪声系数； Sin，Nin 分别为输入端的信号功率和噪声功率； Sout，Nout 分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏； 信噪比下降的倍数就是噪声系数。 通常，噪声系数用分贝数表示，此时 NF (dB) ? 10 lg( NF ) 放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度 Te 来表达。噪声温度 Te 与噪声系数 NF 的关系是 Te ? T0 ? ( NF ? 1) 式中，T0 为环境温度，通常取为 293K。 2．LNA 的功率增益、相关增益与增益平坦度 微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共扼增益、单向化增益等。 对于实际的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和负载都是 50Ω 标准阻抗情况下实 测的增益。 实际测量时，常用插入法，即用功率计先测信号源能给出的功率 P1；再把放大器接到 信源上，用同一功率计测放大器输出功率 P2，功率增益就是 G ? P2 P1  低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因 此增益 G 要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益 大概低 2－4dB。 功率增益的大小还会影响整机噪声系数，下面给出简化的多级放大器噪声系数表达式： N f 2 ? 1 N f 3 ? 1 N f ? N f 1 ? G ? G G ? ... 1 1 2 其中： N f －放大器整机噪声系数； N f 1，N f 2，N f 3 为第 1，2，3 级的噪声系数； －分别 G ，G －分别为第 1，2 级功率增益。从上面的讨论可以知道，当前级增益 G1 和 G2 足够 大的时候，整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。因此多级放大器第一级噪音系数大小起 决定作用。作为成品微波低噪音放大器的功率增益，一般是 20－50dB 范围。 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。 3．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。动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加 严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。 4．动态范围是指低噪音放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的下 限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数 Nf 给定时，输入信号功率允许最小值是：  其中： Pmin ? N f (kT0 ?f m )M ?f m －微波系统的通频带(例如中频放大器通频带)； M－ 微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数； T0－ 环境温度，293K。 5．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。 6．稳定性 当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于 1（即 ?1 ? 1, ?2 ?1 ）时，不管源阻 抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定； 当输入端或输出端的反射系数的模大于 1 时，网络是不稳定的，称为条件稳定。 对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围，否则放 大器不能稳定工作。 定义： suficient1 ? 1 ? S11 ? S12 ? S 21 2 suficient 2 ? 1 ? S 22 ? S12 ? S 21   necessary ? 放大器在 гS 输入平面上绝对稳定的充分必要条件为 suficient1 ? 0 necessary ? 1 放大器