射频与微波电路设计》低噪声放大器设计

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1、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。1放大器技术指标—噪声系数与噪声温度2放大器技术指标—噪声系数与噪声温度3放大器技术指标—功率增益4功率增益与噪声系数5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。6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

2、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。7放大器技术指标—动态范围8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

3、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。9放大器的稳定性10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。111、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

4、*，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12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MESFET（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

5、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。13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

6、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。14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。15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16电路设计原则在优先满足噪声小

7、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17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。18输入匹配电路——要求要求：Zout=Zoptout=opt19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20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

8、换器类，（2）对于微波的低频段，例如S波段或更低端，宜选用分支微带结构。（3）微波管输入阻抗为容性时，此时s11处在史密斯圆图下半平面，匹配电路第1个微带元件宜用电感性微带单元；反之，当s11处在史密斯圆图上半平面时，宜用电容性微带单