微波低噪聲放大器課程設(shè)計

1、低噪聲放大器1.目標(biāo)(1)了解低噪聲放大器的理論和工作原理. (2)了解低噪聲放大器的設(shè)計流程. (3)通過實(shí)驗(yàn)了解低噪聲放大器的特性. 2.基礎(chǔ)理論我們已經(jīng)在第三章講述了射頻放大器的工作原理和設(shè)計流程。以第三章射頻放大器的原理為基礎(chǔ)，本章我們介紹講放大器噪聲降至最小的低噪聲放大器的原理和設(shè)計方法。在第三章講述過的穩(wěn)定性和增益的基礎(chǔ)上，噪聲系數(shù)成為超高頻設(shè)計中一個重要的因素。特別的，可能的情況下，接收機(jī)應(yīng)該有一個低噪預(yù)放大器。這是因?yàn)榻邮諜C(jī)的第一級噪聲會嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量。但是，要實(shí)現(xiàn)一個同時擁有最小噪聲系數(shù)和最大增益的放大器是不可能的。上述兩個因素相互聯(lián)系，所以我們采用一個折中的辦法

2、：在噪聲系數(shù)和增益之間選取一個固定的增益圓周和一個固定的噪聲系數(shù)。下面將介紹固定噪聲系數(shù)的相關(guān)公式以及如何利用這些公式來設(shè)計晶體管放大器。2.1固定增益圓周及特定增益設(shè)計方法為了增加帶寬或者得到一個特定的增益，通常將放大器增益設(shè)計為小于其最大允許增益。設(shè)計者可以通過設(shè)計輸入/輸出匹配電路來獲取上述小于最大增益的增益量。設(shè)計者可以簡單的在史密斯圖中按照和畫一個固定的圓周從而獲得固定的增益（和）。固定增益圓周同樣可以被用來為低噪聲放大器選則特定的增益和噪聲因數(shù)。為了使大家容易理解，我們將講述單向器件的固定增益圓周畫法。在很多情況下，很小而可以被忽略，并且在這種情況下，我們假設(shè)設(shè)備具有單向行。假設(shè)趨

3、近于0，增益的轉(zhuǎn)換偏差可以被表示為：?？梢钥闯鲞@個比率的范圍是：其中，單向因子u可以表示為：通常，如果偏差在1db到幾十db之間可以認(rèn)為具有單向性。對于單向器件，和為：當(dāng)和時，上述增益有最大值，最大值為：標(biāo)準(zhǔn)化增益因子和定義為：其中，和上述標(biāo)準(zhǔn)化增益公式可以用或平面中修正和的圓表示。為了說明這一點(diǎn)，可以表示為：在等式兩邊同時加上，上述公式簡化為：這代表了一個圓周，其圓心和半徑分別為：圖5.1 輸入/輸出固定增益圓周輸出固定增益圓周的結(jié)果為：每個圓周的圓心都落在以或?yàn)閮A角的直線上。當(dāng)（或）1（最大增益），半徑（或）變?yōu)?并且圓心就是（或）。2.2 噪聲系數(shù)和固定噪聲圓周加載在放大器輸入端信號和噪

4、聲被放大器以其增益放大而放大器的噪聲被加在了輸出端。因此，輸出端的snr（信噪比）比輸入端的信噪比小。輸入端與輸出端的信噪比的比值被定義為噪聲系數(shù)，從而總是大于1的。一般來說，二端口晶體管在由下式（5-11）給出的導(dǎo)納條件下，其噪聲系數(shù)有最小值。其中，=為晶體管提供的源極導(dǎo)納可以得到最小噪聲系數(shù)的最優(yōu)源極導(dǎo)納 晶體管最小噪聲系數(shù)（當(dāng)）晶體管等效噪聲源極導(dǎo)納的實(shí)部反射系數(shù)和可以用來代替和，也就是說，對于低噪聲晶體管，制造商常常按頻率提供。用功率反射系數(shù)表示功率導(dǎo)納，公式（5-11）可以化簡為：根據(jù)需要的噪聲系數(shù)，利用公式（5-13）可以定義n：可以利用公式（5-13）和固定的噪聲系數(shù)獲得功率端的

5、反射系數(shù)，從而可以在史密斯圖中得到一個以為圓心以為半徑的圓，相應(yīng)公式如下：圖5.2 史密斯圖中的固定噪聲系數(shù)圓2.3最小噪聲系數(shù)設(shè)計方法因?yàn)榻邮諜C(jī)第一個放大器的噪聲系系數(shù)會影響到整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，所以低噪聲放大器對于接收機(jī)來說尤為重要。在使用二端口晶體管時，為了得到最小噪聲系數(shù)，設(shè)計要要使功率反射系數(shù)與相匹配；同時，負(fù)載反射系數(shù)與的共軛復(fù)數(shù)相匹配。如下：2.4 噪聲系數(shù)與功率增益的折中和被用來得到最小噪聲系數(shù)。但是，這樣就不能與輸入導(dǎo)納相適應(yīng)從而也就不能得到最大功率增益。比如，在輸入端不匹配的情況下，放大器可能會以最小的噪聲系數(shù)反射大量的功率。因此，輸入端vswr（電壓駐波比）可以通過折中噪

6、聲系數(shù)與功率增益來獲得提高，也就是說增加噪聲系數(shù)使之大于其最小值。要達(dá)到這個目的，可以在史密斯圖中畫出固定增益圓周和固定噪聲系數(shù)圓周，并使交點(diǎn)與匹配。如圖5.3，最好的解決方法就是選擇固定增益圓周和固定噪聲系數(shù)圓周的交點(diǎn)。換句話說，在這點(diǎn)可以得到最大的增益和最小的噪聲系數(shù)。圖5.3固定增益圓周和固定噪聲系數(shù)圓周3.設(shè)計過程3.1lna設(shè)計規(guī)范頻率范圍2.2 2.7 ghz增益15 or more 2.45 ghznf（噪聲系數(shù)）1.8 and less 2.45 ghz輸入/輸出 回波損耗10 or more 2.45 ghz3.2器件選擇使用 infinion bfp540（詳見附錄“數(shù)據(jù)表

7、”）3.3 仿真過程使用ansoft designer sv第一步：建立電路圖（工程插入電路設(shè)計空白）第二步：添加襯底信息（電路加入模型數(shù)據(jù)加入襯底定義）電介質(zhì)金屬化材料電阻厚度單位h : 20 miler : 3.38tand: 0.0021(2.4ghz)銅1.724140.669mil(千分之一英寸)第三步 添加bfp540（畫圖n節(jié)點(diǎn)）第四步 設(shè)定仿真頻率范圍（電路添加分析設(shè)置）第五步 執(zhí)行仿真（電路分析）第六步 確定仿真結(jié)果（電路報告）第七步 穩(wěn)定性校驗(yàn)（電路史密斯工具）第八步 穩(wěn)定性：在晶體管輸出端口連接平行電阻器第九步 執(zhí)行仿真（電路分析）第十步 穩(wěn)定性校驗(yàn)（電路史密斯工具）第十

8、一步 選擇功率反射系數(shù)（電路史密斯工具）：ga=11.8db, nf=1.33 circle第十二步 設(shè)計輸入匹配電路（電路史密斯工具匹配符）第十三步 確定負(fù)載反射系數(shù)第十四步 設(shè)計輸出匹配電路（電路史密斯工具匹配符）第十五步 完成電路第十六步 執(zhí)行仿真（電路分析）第十七步 確定仿真結(jié)果（電路報告）最終仿真結(jié)果增益11.93dbnf（噪聲系數(shù)）1.53db輸入回波損耗12.6 db輸出回波損耗18.6 db3.4布局圖3.5測試工具及組成1）lna模塊2）網(wǎng)絡(luò)分析儀:13) 噪聲分析儀，噪聲源：14）dvm：13.6測試方法仿真由tr（bfp-540）電路獨(dú)立完成，但增益的增強(qiáng)是由把era-5sm添加到lna模塊實(shí)現(xiàn)。因此，必須注意測試結(jié)果和仿真結(jié)果之間存在一定差異。1）使用fsk解調(diào)模塊為lna模塊添加功率；2）用dvm測量并記錄bfp-540的基極和集電極電壓；3）為網(wǎng)絡(luò)分析儀一端口功率設(shè)為-35db并且將工作范圍設(shè)定在2.2ghz到2.7ghz之間；4）利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量并記錄