畢業(yè)論文：基于2.45GHz無線射頻前端接收電路的低功耗低噪聲放大器設計41435

1、摘 要快速發(fā)展的無線通信對微波射頻電路如低噪聲放大器提出更高的性能。低噪聲放大器(lna)廣泛應用于微波接收系統(tǒng)中，是重要器件之一，它作為射頻接收機前端的主要部分，其主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調出所需的信息數(shù)據。它的噪聲性能直接決定著整機的性能，進而決定接收機的靈敏度和動態(tài)工作范圍。而近年來由于無線通信的迅猛發(fā)展也對其提出了新的要求，主要為：低噪聲、低功耗、低成本、高性能和高集成度。所以本論文針對這一需求，完成了一個2.45ghz無線射頻前端接收電路的低功耗低噪聲放大器的設計。本文從偏置電路、噪聲優(yōu)化、線性增益及輸入阻抗匹配等角度分析了電路的設計方法，借

2、助 ads 仿真軟件的強大功能對晶體管進行建模仿真，在這個基礎上對晶體管的穩(wěn)定性進行了分析，結合 smith 圓圖，對輸入輸出阻抗匹配電路進行了仿真優(yōu)化設計，設計了一個中心頻率為2.45ghz、帶寬為100mhz、輸入輸出駐波比小于1.5、噪聲系數(shù)小于2db和增益大于15db的低噪聲放大器。 關鍵詞：微波；低噪聲放大器；噪聲系數(shù)；匹配電路；ads仿真abstractrapid growth of wireless data communications has increased the demand for high performance rfµwave circuits, su

3、ch as microwave low noise amplifiers. the lna is one of the most important and broad components in microwave communication system receiver, as the main part of the rf front-end receiver, the function of the low noise amplifier is amplifying the faint signal which incepted from air by the antenna. it

4、 can reduce the noise jamming, so as to demodulate right information for the system. the noise performance of the lna will affect the performance of the whole system directly, and then deciding the sensitivity and dynamic working scope of the receiver.from the aspect of bias circuit, noise optimizat

5、ion, linear gain, impedance match, and the design methodology for lna is analyzed, this article carries on the modelling simulation with the aid of the ads simulation softwares powerful function to the transistor, has carried on the analysis in this foundation to transistors stability, has used the

6、smith circle diagram, to input the output impedance match circuit to carry on the simulation optimization design. a radio frequency power amplifier is designed, which has a centre frequency2.45ghz, bandwidth 100mhz, i/o vswr less than 1.5, noise coefficient less than 2db and wattandgain 15db.key wor

7、ds：microwave; low-noise amplifier; noise figure; matching circuit; ads simulation目 錄1引 言11.1課題研究背景11.2低噪聲放大器簡介21.3低噪聲放大器的發(fā)展現(xiàn)狀21.4本課題的研究方法及主要工作32低噪聲放大器理論綜述52.1史密斯圓圖52.2s參數(shù)62.3長線的阻抗匹配72.3.1微波源的共軛匹配72.3.2負載的匹配82.3.3匹配方法82.4微帶線簡介82.5偏置電路93低噪聲放大器的基本指標103.1工作頻帶103.2帶寬103.3噪聲系數(shù)113.4增益123.5穩(wěn)定性123.6端口駐波比和反射損

8、耗134低噪聲放大器設計仿真及優(yōu)化154.1指標目標及設計流程154.2選取晶體管并仿真晶體管參數(shù)154.3晶體管s參數(shù)掃描174.4放大器的穩(wěn)定性分析194.5設計輸入匹配網絡214.5.1匹配原理214.5.2計算輸入阻抗234.5.3單支節(jié)匹配電路234.6設計并優(yōu)化輸入輸出匹配網絡25結 論30參考文獻32致 謝341 引 言1.1 課題研究背景微波和射頻工程是一個令人振奮且充滿生機的領域，主要由于一方面，現(xiàn)代電子器件取得了最新的發(fā)展；另一方面，目前對語音、數(shù)據、圖像通信能力的需求急劇增長。在這一通信變革之前，微波技術幾乎是國防工業(yè)一統(tǒng)天下的領域，而近來對無線尋呼、移動電話、廣播視頻、

9、有繩和無繩計算機網絡等應用的通信系統(tǒng)需求的迅速擴大正在徹底改變工業(yè)的格局。這些系統(tǒng)正在用于各種場合，包括機關團體、生產制造工廠、市政基層設施，以及個人家庭等。應用和工作環(huán)境的多樣性伴隨著大批量生產，從而使微波和射頻產品的低成本制造能力大為提高。這又轉而降低了大批新型的低成本無線、有線射頻和微波業(yè)務的實現(xiàn)成本，其中包括廉價的手持gps導航設備、汽車防撞雷達，以及到處有售的寬帶數(shù)字服務入口等。在這些紛繁的無線設備中，低噪聲放大器(lna)是必不可少的關鍵部件，它應用于移動通訊、光纖通訊、電子對抗等接收裝置的前端，它的噪聲、增益等特性對系統(tǒng)的整體性能影響較大，其性能的好壞對整個裝置的使用都有相當大的

10、影響，因此低噪聲放大器的設計是通訊接收裝置的關鍵。隨著微波、毫米波技術的迅速發(fā)展，微波通信、導航、制導、衛(wèi)星通信以及軍事電子對抗戰(zhàn)和雷達等領域對射頻放大模塊的需求量也越來越大。特別是由于無線電通信頻率資源的日益緊張，分配到各類通信系統(tǒng)的頻率間隔越來越密，這對接收系統(tǒng)前端的器件，尤其是低噪聲放大器，提出了更高的要求，以減小不需要的干擾因素，放大接收到的有用信號。另一方面，由于新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，以及半導體技術的迅速發(fā)展，各種新的射頻模塊層出不窮，使得微波、毫米波有源電路的研制周期不斷縮短，且電路集成度越來越高，體積越來越小。因此，為了適應未來形勢的發(fā)展需要，我們有必要縮短研制設計周期，研制

11、高性能、低噪聲、小體積的微波放大器件，這已是目前國內國際各個應用領域的關鍵環(huán)節(jié)之一。在接收系統(tǒng)中，低噪聲放大器總是處于前端的位置。整個接收系統(tǒng)的噪聲取決于低噪聲放大器的噪聲。與普通放大器相比，低噪聲放大器一方面可以減小系統(tǒng)的雜波干擾，提高系統(tǒng)的靈敏度；另一方面放大系統(tǒng)的信號，保證系統(tǒng)工作的正常運行。低噪聲放大器的性能不僅制約了整個接收系統(tǒng)的性能，而且，對于整個接收系統(tǒng)技術水平的提高，也起了決定性的作用。因此，研制合適的寬頻帶、高性能、更低噪聲的放大器，研究出一套高效率的、精準的放大器設計方法已經成為射頻微波系統(tǒng)設計中的關鍵環(huán)節(jié)。1.2 低噪聲放大器簡介低噪聲微波放大器（lna）已廣泛應用于微波

12、通信、gps 接收機、遙感遙控、雷達、電子對抗、射電天文、大地測繪、電視及各種高精度的微波測量系統(tǒng)中，是必不可少的重要電路。低噪聲放大器位于射頻接收系統(tǒng)的前端，其主要功能是將來自天線的低電壓信號進行小信號放大。前級放大器的噪聲系數(shù)對整個微波系統(tǒng)的噪聲影響最大，它的增益將決定對后級電路的噪聲抑制程度，它的線性度將對整個系統(tǒng)的線性度和共模噪聲抑制比產生重要影響。對低噪聲放大器的基本要求是：噪聲系數(shù)低、足夠的功率增益、工作穩(wěn)定性好、足夠的帶寬和大的動態(tài)范圍。 advanced design system(ads)軟件是agilent公司在hp eesof eda軟件基礎上發(fā)展完善的大型綜合設計軟件，

13、它功能強大，能夠提供各種射頻微波電路的仿真和優(yōu)化設計，廣泛應用于通信、航天等領域，是射頻工程師的得力助手。本文著重介紹如何使用 ads 進行低噪聲放大器的仿真與優(yōu)化設計。1.3 低噪聲放大器的發(fā)展現(xiàn)狀從上個世紀60年代中期開始，由于平面外延工藝的發(fā)展，雙極晶體管的工作頻率跨進微波頻段，平面外延晶體管的工作頻率達到1ghz以上，出現(xiàn)了微波雙極晶體管及其相應的放大器，而同時伴隨著場效應晶體管（fet）理論的提出，包括金屬絕緣柵半導體fet (如mosfet) 、結型場效應晶體管(jfet) 、金屬半導體場效應管(mesfet) 和近代的異質結場效應管(hetero-fet) ,如hemt等隨之出現(xiàn)

14、。近幾年來，隨著材料生長技術（比如分子束外延和分子化學蒸發(fā)沉積）和新型器件結構可靠性的提高，開始從更高的輸出功率和效率方面改善器件的功能。這種新的技術發(fā)展水平功率gaas hfet器件擁有基于異質結化合物algaas 、gaas ingap、 gaas、inalas、ingaas的結構。雙極結型晶體管器件被引入異質結結構制成hbt。目前微波 hbt 的截止頻率達到了200 ghz ,因此在微波、低噪聲、超高速及低功耗方面具有很大的優(yōu)越性。異質結不但能夠構成雙極型晶體管,還可以構成場效應晶體管,即異質結場效應管(hfet) 。這種器件提供高柵漏和柵源擊穿電壓，門偏壓降低到夾斷電壓接近恒量的跨導，

15、適度高的最大溝道電流能夠得到高效率的器件推動高電子遷移率晶體管（hemt）的問世，其低噪聲性能比場效應管更優(yōu)越并大量投入商用。在c波段其噪聲溫度可達25k左右，廣泛應用于衛(wèi)星接收。目前國外8 mm以下的hemt己商品化，在極低噪聲的許多應用領域已取代gaas mesfet，而且在微波/毫米波功率應用中也越來越引人注目。由于hfet在工藝制造過程中要精確控制薄層結構、陡峭的摻雜梯度以及采用更難加工的半導體材料,制造一個hemt要比gaas mesfet的花費昂貴得多,隨著技術的進步和科技的發(fā)展,人們對高性能低成本的hemt需求更大。很多公司為了滿足這一需求,除了在技術方面投資以外,逐漸開始在提高

16、hemt性價比上增加投入。值得注意的是，國外單片集成(mmic)微波器件發(fā)展很快，這是一種在幾平方毫米砷化鎵基片上集成的微波放大器，其體積小、噪聲系數(shù)一般增益高。1996年，trw公司k.w kabayashi等人研制出了s波段的hemthbt單片集成接收機。該系統(tǒng)包括一個二級hemt低噪聲射頻放大器、一級hemt本征放大器和hbt雙平衡混頻器，三者均集成在同一片材料上，該hemthbt的mmic系統(tǒng)利用hemthbt選擇性mbeic技術，代表了當今最好的ic技術，充分展示了超越于單純mmic和混合集成技術的優(yōu)點。我們發(fā)現(xiàn)微波晶體管低噪聲放大器的巨大變革通常是隨著微波放大器件的產生和工藝技術的

17、改進而發(fā)展的。相對于國外，由于國內的制作工藝起步較晚，國內有源電路技術指標的快速提高受到了限制。但是，總體說來，除了高度集成工藝外，國內外總的設計手段是相差不大的，在研制方法上，國內與國外也是基本相同的。1.4 本課題的研究方法及主要工作低噪聲放大器是無線接收機前端的重要部分，其主要作用是放大微弱信號，盡量使放大器引入的噪聲減小。由于它處于接收機放大鏈的前端，因此，對整個系統(tǒng)來講是非常重要的。它的噪聲系數(shù)、增益和線性度等指標對整個射頻接收機系統(tǒng)的性能有重要影響，其中噪聲系數(shù)幾乎決定了整個接收機的噪聲性能。本課題對低噪聲放大器的多種設計方法進行了研究，查閱了大量的資料，總結了前輩的設計經驗，運用

18、美國agilent公司的高級設計軟件 ads2008 仿真，設計了一個在2.45ghz的頻率范圍內滿足指標要求的低噪聲放大器。全文可以分為五部分。具體內容如下：第一部分為引言。首先簡要介紹課題研究背景與低噪聲放大器，發(fā)展狀況及研究趨勢，最后介紹本文的主要工作和章節(jié)安排。第二部分為低噪聲放大器理論綜述。介紹了史密斯圓圖、s參數(shù)、阻抗匹配、微帶線理論基礎知識。第三部分為低噪聲放大器的基本指標。分析了低噪聲放大器設計需要注意的指標，為后面的具體設計提供理論依托。第四部分為具體的設計過程，對每一部分的設計都進行了大量細致的工作，主要包括輸入輸出最佳阻抗的獲得和匹配網絡的具體實現(xiàn)，并對每級電路整體性能的

19、優(yōu)化實現(xiàn)給出了具體方法和步驟。第五部分為總結和研究前景的展望，分析了研究中的不足和思考，提出了一些有利于進一步研究的問題。2 低噪聲放大器理論綜述2.1 史密斯圓圖phsimth開發(fā)了以保角映射原理為基礎的圖解。這種方法的優(yōu)點是有可能在同一個圖中簡單直觀地顯示出傳輸線阻抗以及反射系數(shù)。反射系數(shù)(reflection coefficient)能用下式的復數(shù)形式表達出來： (2-1)其中，是電路的負載值,是傳輸線的特性阻抗值，通常會使用50。圖2-1 等電阻圓和等電抗圓圖 圖2-1是史密斯圓圖中的等電阻圓和等電抗圓圖。圖中的圓形線代表電阻抗力的實數(shù)值，即電阻值，中間的橫線與向上和向下散出的線則代表

20、電阻抗力的虛數(shù)值，即由電容或電感在高頻下所產生的阻力，當中向上的是正數(shù)，向下的是負數(shù)。圖表最中間的點(1+j0)代表一個已匹配(matched)的電阻數(shù)值()，同時其反射系數(shù)的值會是零。圖表的邊緣代表其反射系數(shù)的長度是1，即100% 反射。有一些圖表是以導納值(admittance)來表示，把上述的阻抗值版本旋轉180度即可。根據上面介紹的等電阻圓和等電抗圓圖，能過簡單有效的確定電路的阻抗，并進行阻抗匹配。利用史密斯圓圖可以完成以下工作：(1) 讀取阻抗、導納、反射系數(shù)等常用的射頻電路參數(shù)；(2) 進行傳輸線的匹配網絡設計；2.2 s參數(shù)在絕大多數(shù)涉及射頻系統(tǒng)的技術資料和數(shù)據手冊中，都用到散射

21、參數(shù)(s參數(shù))。其原因在于實際射頻系統(tǒng)不再采用終端開路、導線形成短路的測量方法。采用導線形成短路的時候，導線本身存在電感，而且其電感量在高頻下非常之大，此外，開路情況也會在終端形成負載電容。另外，當涉及電磁波傳播時也不希望反射系數(shù)的模等于1，在這種情況下，終端的不連續(xù)性將導致有害的電壓、電流反射，并產生可能造成器件損壞的振蕩。參數(shù)描述了兩端口入射功率和反射功率之間的關系，而不是電壓和電流的關系。應用參數(shù)測量和校準都變得容易。描述一個系統(tǒng)被和激勵，、和、分別表示輸入和輸出口的入射波、反射波功率。假定系統(tǒng)是線性的，參數(shù)定義為： 圖2-2 二端口網絡s參數(shù) （2-2）式中稱為雙端口網絡的散射矩陣，簡

22、稱為矩陣，它的各個參數(shù)的意義如下：表示2端口匹配，1端口的反射系數(shù)；：表示2端口匹配，1端口到2端口的傳輸系數(shù)；：表示1端口匹配，2端口到1端口的傳輸系數(shù)；：表示1端口匹配，2端口的反射系數(shù)；在射頻與微波頻段上，與端口的開路、短路條件相比，端口的匹配比較容實現(xiàn)，在端口匹配條件下進行測試也比較安全。2.3 長線的阻抗匹配在低噪聲放大器的設計中，阻抗匹配非常重要，它關系到系統(tǒng)的傳輸效率、功率容量與工作穩(wěn)定性，關系到低噪聲放大器的噪聲特性的好壞。因此，阻抗匹配問題極其重要。阻抗匹配的目的是使源傳遞給負載最大的射頻功率。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡單易于實現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波

23、動，設計的可實現(xiàn)性和可調節(jié)性，設定的工作條件，足夠的諧波抑制等。由此得到很多類型的匹配網絡，包括集總元件和傳輸線。本文采用的是集總元件與傳輸線相結合的方法，并利用smith圓圖軌跡法作為工具。匹配包含兩個方面的含義：一是微波源的匹配，要解決的問題是如何從微波源中取出最大功率；二是負載的匹配，要解決的問題是如何是負載吸收全部入射功率。這是兩個不同性質的問題，前者要求信號源內阻與長線輸入阻抗實現(xiàn)共軛匹配；后者要求負載與長線實現(xiàn)無反射匹配。2.3.1 微波源的共軛匹配阻抗匹配的目的是使源傳遞給負載最大的射頻功率。一般而言，最佳的解決方案依賴于電路的要求，例如簡單易于實現(xiàn)，頻帶寬度，最小的功率波動，設

24、計的可實現(xiàn)性和可調節(jié)性，設定的工作條件，足夠的諧波抑制等。由此得到很多類型的匹配網絡，包括集總元件和傳輸線。本文采用的是集總元件與傳輸線相結合的方法，并利用smith圓圖軌跡法作為工具。對于一個給定的微波源，其輸出最大功率的條件是：在同一參考面上負載的輸入阻抗與波源的內阻抗互為共軛復數(shù)，這個條件稱為“共軛匹配”。需強調的是與必須對同一參考面而言，其中為從參考面處向負載看去的輸入阻抗，為從參考面處向波源看去的輸入阻抗。2.3.2 負載的匹配在傳輸微波功率時一般都希望負載時匹配的，因為匹配負載無反射，傳輸線中為行波狀態(tài)，這對于傳輸微波功率來說，主要有以下幾點好處：1. 匹配負載可以從匹配源輸出功率

25、中吸收最大功率。2. 行波狀態(tài)時傳輸線的傳輸效率最高。因反射波帶回的能量和入射波一樣會在傳輸線中產生損耗，固有反射時的損耗功率增大，傳輸效率低。3. 行波狀態(tài)時傳輸線功率容量最大。因在駐波狀態(tài)時，沿線的高頻電場分布出現(xiàn)波腹，波腹處的電場比傳輸同樣功率時的行波電場高得多，因此容易發(fā)生擊穿，從而限制了功率容量。2.3.3 匹配方法阻抗匹配的方法有二：一是在不匹配系統(tǒng)中適當加入無功元件，稱為調配器，人為引入一個或多個反射并使之與原系統(tǒng)產生的反射相互抵消而達到匹配；二是兩不匹配系統(tǒng)間加接一個阻抗變換器，其作用是化原不匹配系統(tǒng)內的大反射為多級的或漸變的小反射乃至最終過渡到匹配狀態(tài)。2.4 微帶線簡介微帶

26、線屬于敞開式部分填充介質的雙導體傳輸線。它是由介質基片上的導帶和基片底部的金屬接地板構成的，整個微帶線用薄膜工藝制作而成，基片采用介電常數(shù)高、高頻損耗低的陶瓷、石英、藍寶石等介質材料，導帶采用良導體材料。微帶線適合制作微波集成電路的平面結構傳輸線，與金屬波導相比，其體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等；但損耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低損耗介質材料和微波半導體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，使微帶線得到廣泛應用，于是相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線。微帶線的參數(shù)確定如下，微帶線特性阻抗的大小由導體帶寬度和介質板的厚度h以及有效介電常數(shù)決定的，如下： (2-3) （2-4）

27、式中為填充介電常數(shù)為的介質時微帶線的特性阻抗；為填充空氣時的同一尺寸微帶線的特性阻抗；為微帶線的導帶寬度；為微帶線的介質基片厚度。2.5 偏置電路在電路系統(tǒng)設計中，直流偏置電路系統(tǒng)是射頻功率放大器運轉的關鍵。偏置網絡有兩大類型：無源網絡和有源網絡。無源網絡(即自偏置)是最簡單的偏置電路，通常由電阻網絡構成，它為射頻晶體管提供合適的工作電壓和電流，但是這種電路的缺點就是對晶體管參數(shù)變化非常敏感，并且溫度穩(wěn)定較差。因為直流反饋總是要降低電壓提供的功率，考慮到現(xiàn)在是低壓工作，所以有效的反饋比較難。如果反饋根本不實用或不充分，就需要使用有源偏置，有源偏置網絡能改善靜態(tài)工作點的穩(wěn)定性，還能提高良好的溫度

28、穩(wěn)定性，但它也存在一些問題，如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。低噪聲放大器設計的第一步就是確定晶體管的靜態(tài)直流工作點，偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供適當?shù)撵o態(tài)工作點，并抑制晶體管的離散性以及溫度變化的影響從而保持恒定的工作特性。偏置網絡不僅要設定直流工作狀態(tài)，還要通過高頻扼流線圈和隔直電容確保直流偏置與射頻信號相互隔離。3 低噪聲放大器的基本指標3.1 工作頻帶工作頻帶通常指放大器滿足其全部性能指標的連續(xù)頻率范圍。放大器的實際工作頻率盡可能限制在所定的工作頻率范圍?？紤]到噪聲系數(shù)是主要指標，在寬頻帶情況下難于獲得極低噪聲，所以低噪聲放大器的工作頻帶一般不太

29、寬。放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率有關，由晶體管小信號模型可知，減小偏置電流的結果是晶體管的特征頻率降低。在集成電路中，增大晶體管的面積使極間電容增加也降低了特性頻率。3.2 帶寬為保證頻帶信號無失真地通過放大電路，要求其增益頻率響應特性必須有與信號帶寬相適應的平坦寬度。放大電路電壓增益頻率響應特性為最大值下降3db時，對應的頻率寬度為放大器的通頻帶，通常以表示，即帶寬。而低噪聲放大器的帶寬不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內噪聲要滿足要求。帶寬又分為絕對帶寬和相對帶寬。絕對帶寬定義如下： (3-1)采用絕對帶寬表示時，帶寬的量綱為hz。相對帶寬常用的表示方

30、法為百分比法。采用相對帶寬表示時，帶寬是無量綱的相對值。百分比法定義為絕對帶寬占中心頻率的百分數(shù)，用表示為： (3-2)其中為中心頻率。通常當相對帶寬小于10%時稱為窄帶放大器，相對帶寬大于30%時稱為寬帶放大器，而相對帶寬大于100%時稱為超寬帶放大器，考慮到噪聲系數(shù)是主要指標，但是在寬頻帶情況下難于獲得極低噪聲，所以低噪聲放大器的工作頻帶一般不寬，較多為20%左右。3.3 噪聲系數(shù)在電路某一特定點上的信號功率與噪聲功率之比，稱為信號噪聲比，簡稱信噪比，用符號/(或 /)表示。放大器噪聲系數(shù)是指放大器輸入端信號噪聲功率比 /與輸出端信號噪聲功率比 /的比值。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號通過放大

31、器之后，由于放大器產生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。影響放大器噪聲系數(shù)的因素有很多，除了選用性能優(yōu)良的元器件外，電路的拓撲結構是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數(shù)和信號源的阻抗有關，而與負載阻抗無關。當一個晶體管的源端所接的信號源的阻抗等于它所要求的最佳信號源阻抗時，由該晶體管構成的放大器的噪聲系數(shù)最小。實際應用中放大器的噪聲系數(shù)可以表示為： （3-3）是當源端為最佳源阻抗時放大器的最小噪聲系數(shù)，是噪聲阻抗，是放大器按最小噪聲系數(shù)匹配時的最佳源反射系數(shù)。由此可見放大器的輸入匹配電路應該按照噪聲最佳來進行設計，也就是根據所選晶體管的來進行設計。設計輸出匹配電路時采用共軛匹

32、配，以獲得放大器較高的功率增益和較好的輸出駐波比6。 輸出. . . .rf放大rf放大rf放大rf放大 輸入f1 g1f2 g2f3 g3fn gn圖3-1 多級放大電路示意圖當系統(tǒng)中有多級放大器相連時，其系統(tǒng)總噪聲系數(shù)和總增益表達式為: （3-4）式中表示多級放大器總的噪聲系數(shù);、和分別表第一、第二和第三級的噪聲系數(shù);g1、g2和g3分別表示第一、第二級和第三級放大器的功率增益。從上式知道，越后項分母越大，所以初級噪聲系數(shù)對總體噪聲系數(shù)的影響最大。只有盡量低，前級增益g1和g2足夠大，整機的噪聲性能才能足夠小。3.4 增益根據線型網絡輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益：工作功率增

33、益、轉換功率增益、資用功率增益。對于實際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源與負載多為50標準阻抗情況下實測的增益，一般用db表示。其表達式為放大器輸出功率與輸入功率的比值： （3-5）低噪聲放大器的增益要適中，太大會使下級混頻器輸入太大，產生失真。但為了抑制后面各級的噪聲對系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。放大器的增益首先與管子跨導有關，跨導直接由工作點的電流決定。其次放大器的增益還與負載有關。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進行設計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，以此增益g 要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關增益。通常，相關增益比最大增益大約低24db。所以，一般來說低噪聲放大器的增

34、益確定應與系統(tǒng)的整機噪聲系數(shù)、接收機動態(tài)范圍等結合起來考慮。根據經驗，一般取值在1520db較為合適。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來描述工作頻帶內功率增益的起伏, 常用最高增益與最小增益之差，即g(db)表示。3.5 穩(wěn)定性放大器必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內的穩(wěn)定性。這一點對于射頻電路是非常重要的，因為射頻電路在某些工作頻率和終端條件下有產生振蕩的趨勢。考察電壓波沿傳輸線的傳輸，可以理解這種振蕩現(xiàn)象。若傳輸線終端反射系數(shù)01，則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導致不穩(wěn)定的現(xiàn)象。反之，若01，將導致反射電壓波的幅度變?。ㄘ摲答仯?。當放大器的輸入和輸出端的反射系數(shù)的模都小

35、于1,即 1,1 1,晶體管處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。4.5 設計輸入匹配網絡4.5.1 匹配原理在設計放大器時，一般有以下幾種原則：一是以達到最大功率增益為目標；二是以達到最穩(wěn)定增益為目標；三是要達到某一確定的增益值（小于最大增益）；四是以達到最小噪聲系數(shù)為目標。更多的時候，是要綜合考慮以上的目標。對于低噪聲放大器，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。所有這些設計目標均可以按照網絡的s參數(shù)導出相應的公式。對于不同的設計原則，相應的匹配網絡的結構也就不一樣。實際的應用中三極管的輸入共軛匹配的源反射系數(shù)（） 和最小噪聲源反射系數(shù)（） 很少一致。

36、因此，必須找到一種折中的輸入匹配方法來滿足最佳噪聲系數(shù)和最佳輸入反射回損的性能。當由一個給定的噪聲系數(shù)=來設計時，可以推出等噪聲系數(shù)圓方程，其方程如下： （4-4）圓心為 （4-5）半徑為 （4-6）其中 （4-7）得到等噪聲系數(shù)圓后，按照要求的噪聲系數(shù)設計放大器的問題就演變?yōu)閺脑摰仍肼曄禂?shù)圓中確定一個合適的值。利用（47）式可以在平面上畫出一組等噪聲系數(shù)圓。當r=0時，即達其最小值，這時的=。畫出圖來我們還能發(fā)現(xiàn)，通過圓圖原點的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù)就是信號源端匹配時（=0）的噪聲系數(shù)，不包圍圓圖原點的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù)將在下列范圍：，包圍圓圖原點的等噪聲系數(shù)圓的噪聲系數(shù)將在下列范圍：。

37、匹配電路最核心的就是起個阻抗變換作用，把一個阻抗變換成為另外一個需要的阻抗，從而達到匹配的效果。在我們得到最小噪聲系數(shù)的源反射系數(shù)時，就可以來設計輸入匹配電路了。根據反射系數(shù)與阻抗的關系 和放大器的輸入阻抗:，可以算出經匹配網絡向源看去的阻抗。這樣我們就可以通過阻抗變換的方法設計出需要的輸入匹配電路。利用smith圓圖和ads軟件可以方便的實現(xiàn)型、型、型等匹配電路，其中還涉及到帶寬及頻率響應等問題，篇幅有限在這里不再贅述。對于輸出匹配網絡，在多級的情況下，為了達到更高的功率增益，其輸出匹配采用共軛匹配的形式。通過器件手冊可以得到其s參數(shù)，求出穩(wěn)定因子就可以判斷放大器是否可以匹配。對于的放大器都

38、是可以匹配的，當 時，理論上可以進行匹配，但實際上不可行，因為由其反射系數(shù)可知，這是一種純電抗性匹配，而現(xiàn)實中的元件都是有電阻性分量的。當-1時，在理論上可以匹配，但已無使用意義，因為這時| |=1。當1,說明系統(tǒng)處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)；b) -16.569dbs12-16.456db，說明具有良好的輸入輸出隔離度；c) 1.725nf(2)1.760,說明噪聲系數(shù)達到指標；d) vswe11.5, 說明輸入駐波比達到指標；e) 增益17.465dbg1.5, 說明輸出駐波比沒有達到指標；設計到目前為止，只有輸出駐波比沒有達到指標。此文采用二級級聯(lián)的方法解決此問題，因為等到加上偏置網絡后增益也會有所

39、下降，并且此方法也可以減小輸出駐波比。二級級聯(lián)的原理圖如下：圖4-21 二級級聯(lián)放大器原理圖對此原理圖進行仿真，仿真結果如下所示： 圖4-22 噪聲系數(shù) 圖4-23 輸入駐波比 圖4-24 增益 圖4-25 輸出駐波比由仿真圖可以看出，在級聯(lián)后，輸出駐波比減小并且達到指標，增益增大，但是系統(tǒng)的噪聲系數(shù)增大，在輸出駐波比和噪聲系數(shù)之間，我選擇噪聲系數(shù)，也就是沒有級聯(lián)的電路,因為該畢業(yè)設計的最重要的指標就是噪聲系數(shù)。 至此，放大器的目標指標都已經實現(xiàn)，設計工作完成。結 論快速發(fā)展的無線通信對微波射頻電路如低噪聲放大器提出更高的性能。本文分析討論了低噪聲放大器的基本設計理論，并結合低噪聲放大器的性能

40、指標，利用 ads 仿真軟件設計了一個中心頻率為2.45ghz、帶寬為100mhz、輸入輸出駐波比小于1.5、噪聲系數(shù)小于2db和增益大于15db的低噪聲放大器。 本文研究的主要工作和結論如下： (1)在認真閱讀文獻、查找資料的基礎上，驗證了一種基于 ads 仿真軟件設計射頻功率放大器的可行性，利用 smith 圓圖對其輸入輸出阻抗匹配電路進行了仿真優(yōu)化設計，ads 軟件提供了功能強大的射頻電路仿真，優(yōu)化了射頻電路設計環(huán)境，正是通過對軟件功能的充分應用，替代了射頻放大器設計中許多原來需要人工進行的運算設計工作，提高了工作效率。 (2)系統(tǒng)分析了低噪聲放大器的設計理論，本文助傳輸線理論和雙端口網

41、絡結構，研究其功率關系，采用 s 參數(shù)方法，詳細分析了低噪聲放大器的增益和穩(wěn)定性。 (3)分析了低噪聲放大器的偏置電路和匹配電路設計中的一些基本問題，討論了輸入、輸出匹配電路和級間匹配電路設計的問題?？傊?ads 仿真軟件分析設計低噪聲放大器，從仿真結果來看，都達了預期的設計目標?，F(xiàn)在，盡管我們可以成功的設計出一個射頻的功耗較低的lna，但是這僅僅是我們在rf電路設計上的一個起步，我們未來需要進一步研究的問題包括：(1)因為lna是接收機系統(tǒng)的最前端電路，輸入端和天線匹配我們考慮到了，但是作為負載的后級電路我們沒有涉及到，盡管我們在輸出匹配時留有了足夠大的余度，但是對輸出匹配我們仍需要做

42、一部分工作，我們下一步工作會考慮將lna和混頻器作為一個模塊進行設計。(2)因為條件有限，本文僅僅從理論上分析，使用eda軟件ads進行仿真驗證，沒有將該設計實際制作出來。由于仿真軟件是理想化的，而射頻電路在設計時候還受工藝和具體操作的影響，因此實際的測量結果與仿真結果會有一定差距，這都有待于后續(xù)進行深入的研究。(3)研究寬帶和多頻帶lna的設計以適應無線通信寬帶化、多標準融合的趨勢。射頻移動通信技術的總趨勢是走向高速化、大帶寬，并最終實現(xiàn)整個無線終端的單片集成。目前，關于低噪聲放大器的研究已經趨于成熟，未來的難點和熱點在于如何適應3g以及未來的通信技術的要求，提高其低噪聲性能，增大工作帶寬，

43、進一步改進線性度等。迄今為止，我國在rfic方面與國外還存在很大的差距，所以射頻電路的設計對我們來說機遇與挑戰(zhàn)共存，其發(fā)展的前景一定是光明的!當然，由于本人的水平和時間有限，論文有很多不足之處，有許多有待改進的地方，對此深表歉意并期望以后能逐漸完善。參考文獻1 詹福春,王文騏,李長生. 2.4ghz 0.25mmcmos集成低噪聲放大器的設計j. 半導體技術, 2004, 29(5):8185.2 張玉興,楊玉梅,陳瑜. 射頻模擬電路與系統(tǒng)m. 成都：電子科學大學出版社,2008.3 市川裕一,青木勝. 高頻電路設計與制作m. 卓圣鵬譯. 北京：科學出版社,2006.4 thomas h.le

44、e. cmos射頻集成電路設計m. 余志平,周潤德譯. 北京：電子工業(yè)出版社, 2006.5 顧繼慧. 微波技術m. 北京：科學出版社, 2008.6 孟林,楊勇,牛磊等. 射頻低噪聲放大器的ads設計j. 電子質量, 2007, (3):4248.7 齊凱,蔡理. 2.45ghz 0.18m全差cmos低噪聲放大器設計j. 微電子學, 2009, 39(6): 773777.8 清華大學電子學教研組. 模擬電子技術基礎m. 北京：高等教育出版社, 2000.9 王軍. 低噪聲放大器模塊化分析與設計的等效噪聲模型法j. 電子學報, 2000, (3): 8183.10 陳艷華,李朝輝,夏瑋. ads應用詳解射頻電路設計與仿真m. 北京：人民郵電出版社, 2008.11 黃玉蘭. ads射頻電路設計基礎與典型應用m. 北京：科學出版社.2010. 12 魏玉香,李富華. ads下cmos低噪聲放