低噪聲放大器

1、低噪聲放大器1第1頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究概述背景意義低噪聲放大器是現(xiàn)代無線通信、雷達(dá)、電子對抗系統(tǒng)等應(yīng)用中一個非常重要的部分，常用于接收系統(tǒng)的前端，在放大信號的同時抑制噪聲干擾，提高系統(tǒng)靈敏度。如果在接收系統(tǒng)的前端連接高性能的低噪聲放大器，在低噪聲放大器增益足夠大的情況下，就能抑制后級電路的噪聲，則整個接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)將主要取決于放大器的噪聲。如果低噪聲放大器的噪聲系數(shù)降低，接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)也會變小，信噪比得到改善，靈敏度大大提高。由此可見低噪聲放大器的性能制約了整個接收系統(tǒng)的性能，對于整個接收系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，也起了決定性的作用。第2頁，共3

2、3頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究概述任務(wù)與目標(biāo) 本次畢業(yè)設(shè)計的主要要求是熟悉理解低噪聲放大器的工作原理，并熟練運(yùn)用ADS2006仿真軟件進(jìn)行低噪聲放大器的仿真設(shè)計。本次設(shè)計的是工作頻率在2.4-2.5G ISM頻段, 噪聲系數(shù)NF15，VSWRin1.5，VSWRout1，放大器電路才會穩(wěn)定，這里K1，不穩(wěn)定。 第11頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述穩(wěn)定性分析為了使系統(tǒng)穩(wěn)定加入負(fù)反饋 。第12頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述穩(wěn)定性分析反復(fù)調(diào)節(jié)反饋電感，使其在整個工作頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定。X最終定為0.45nH。

3、整個電路在低頻部分不穩(wěn)定，并且低頻部分增益還很高，解決此問題的方法是在電路中串聯(lián)或并聯(lián)小電阻。 第13頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述穩(wěn)定性分析接下來，把理想DC_Feed元器件改為實(shí)際器件，選用MuRata（日本村田公司）的電容和電感。第14頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述穩(wěn)定性分析從下圖可以看出，電路在低頻部分已經(jīng)穩(wěn)定了。下面需要把晶體管源極的兩個電感換成微帶線的形式。一方面是因?yàn)檫@兩個電感值太小，實(shí)際的電感很難做到；另一方面是因?yàn)閺恼{(diào)節(jié)這兩個電感值就可以發(fā)現(xiàn)，這兩個電感值稍微改變，就會對整個電路穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。 第1

4、5頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述穩(wěn)定性分析下圖中，晶體管源極微帶線寬為0.5mm，其特征阻抗為87.0502Ohm，最后算出的長度為0.739mm。再把晶體管兩端“DC_block”理想元器件換成真實(shí)器件，仍然選用MuRata電容，兩個隔直電容都選用“GRM18”系列，電容值為22PF。 第16頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述穩(wěn)定性分析從圖中可以看出，全部換成真實(shí)器件后穩(wěn)定系數(shù)和增益依然很好。第17頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述噪聲系數(shù)圓和輸入匹配從圖中看出，在2.350GHz時的最小噪聲

5、系數(shù)為0.485dB。接下來就要設(shè)計一個適當(dāng)?shù)幂斎肫ヅ渚W(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)最小噪聲系數(shù)。第18頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述噪聲系數(shù)圓和輸入匹配在圖中，m2是LNA有最大增益時的輸入端阻抗，此時可獲得增益約為16.49dB；m4為LNA有最小噪聲系數(shù)時的輸入端阻抗，此時可獲得最小噪聲指數(shù)為0.49dB。第19頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述噪聲系數(shù)圓和輸入匹配對于低噪聲放大器，尤其是第一級放大器，首先考慮的是最小噪聲，所以這里優(yōu)先考慮噪聲，那么最優(yōu)的輸入端阻抗就定為m4點(diǎn)的阻抗。其中定為50Ohm，則輸入端阻抗就為25.7-j*14.

6、1Ohm。這時，可以看出m4處的增益大約比m3點(diǎn)略小（m3處增益為15.98dB）。為了達(dá)到最小噪聲系數(shù)，在晶體管的輸入端需要滿足最佳源反射系數(shù)的要求，而整個電路的輸入阻抗，所以需要輸入匹配網(wǎng)絡(luò)把（為m4處阻抗的共軛，即25.7+j*14.1）變換到輸入阻抗50Ohm。如圖所示為輸入匹配框圖。第20頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述噪聲系數(shù)圓和輸入匹配通過添加Smith圓圖匹配工具DA_SmithChartMatch工具來完成匹配后原理圖。第21頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述噪聲系數(shù)圓和輸入匹配可以使用調(diào)整工具來調(diào)整兩段傳輸線

7、的長度（現(xiàn)在原理圖中輸入匹配電路的微帶線顯示的是電長度）。在調(diào)整時可以觀察數(shù)據(jù)顯示窗口的相關(guān)曲線的變化，以達(dá)到理想效果。最后，調(diào)整TL3和TL4的電長度分別為25.3834deg和44.31deg可以得到一個較小的噪聲系數(shù)和輸入反射系數(shù)（dBS11）。第22頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述噪聲系數(shù)圓和輸入匹配第23頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述最大增益的輸出匹配在原理圖中添加Zin控件，并改為輸出阻抗，選擇Zin的實(shí)部和虛部，從圖看出，輸出阻抗為76.593-j*22.710 Ohm（即S22）。第24頁，共33頁，2022

8、年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述最大增益的輸出匹配為了達(dá)到最大增益，輸出匹配電路需要把50 Ohm匹配到Zin的共軛，如圖所示。 第25頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述最大增益的輸出匹配同樣使用DA_SmithChartMatch工具來做輸出匹配電路，調(diào)整完成后原理圖。 第26頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述最大增益的輸出匹配從仿真圖中可以看出，輸入/輸出回波損耗在2.45GHz處均小于 -10dB，增益大約為13dB。這個結(jié)果可以算是比較滿意的結(jié)果。 第27頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期

9、日研究綜述匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)前面用到的都是理想微帶線，其參數(shù)只有特性阻抗、電長度和頻率，接下來需要把它轉(zhuǎn)化成實(shí)際的表明物理長寬的微帶線。下表列出了四段匹配微帶線的電長度和用LinCale工具計算出的物理長度。所有微帶線的特征阻抗都是50 Ohm。 電長度（單位degrees）物理長度（單位mm）TL3（TL7）25.38344.810770TL4（TL9）44.319.671910TL890.821116.991300TL1044.1388.257580第28頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)返回原理圖，把所有的理想微帶線全換成表所示的實(shí)際物理長度的微

10、帶線，并在電源處添加幾個分立電容對電源進(jìn)行去耦，這里加入三個電容，從電源開始分別是1uF、0.01uF、10pF。最終完成原理圖。第29頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日研究綜述匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)從仿真圖中可以看出，在2.45GHz處，增益大約為13dB，NF小于0.7dB，輸入/輸出反射系數(shù)都在-15dB以下，VSWR大概在0.3處，且整個電路無條件穩(wěn)定。低噪聲放大器的設(shè)計基本達(dá)到設(shè)計要求。第30頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日總結(jié)本次設(shè)計由于現(xiàn)實(shí)的一些原因沒有完成版圖的設(shè)計且制作出實(shí)物，這實(shí)在是個遺憾，而且我認(rèn)為自己在諸多方面還需要學(xué)習(xí)和鉆研。不過，通過這次論文，使我的分析問題、解決問題的能力，以及理論與實(shí)際相結(jié)合的能力得到了極大的提高，尤其是從工程角度的方面對如何完成一個項(xiàng)目有了一個比較感性的認(rèn)識，而且讓我對當(dāng)今低噪聲放大器的最新發(fā)展技術(shù)有所了解，這些都必將是我人生道路上的寶貴財富，也對我將來的工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。 第31頁，共33頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)34分，星期日致謝大學(xué)本科的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束。在此，我