低噪声放大器毕业设计

摘要 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商 ,的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求 ，这 就对处于接收机最前端的低噪声放大器提出更高的要求：低噪声，合适的增益，工作频段内的稳定性。 本文详细介绍 使 用 件 设计微波低噪声小信号放大器。放大器 选用安捷伦的 强型伪高电子迁移率晶体管 ( 其中工作 频率范围在 2010025文 先分析了一般低噪声放大 器的基本结构和要求指标和设计原则。再基于 体管初步设计匹配网络，偏置电路的，和解决不稳定性的方法。最后通过 成电路设计，并对电路进行调试和实际电路的测试。 各种测试结果表明，低噪声放大器性能良好。 关键词 ： 低噪声放大器 阻抗匹配 射频（微波） of is a of of of as as of of to a on in to of DS of s in 010 2025of of on of to a CB to 第一章 绪论 . 5 低噪声放大器 . 5 概念 . 5 主要功能 . 5 主要应用领域 . 6 低噪声放大器的研究现状 . 6 本文的主要研究成果和内容安排 . 7 第二章 低噪声放大器的分析与研究 . 9 低噪声放大器的基本结构 . 9 低噪声放大器的基本指标 . 9 噪声系数 . 10 增益 . 10 输入输出驻波比 . 11 反射系数 . 11 放大器的动态范围（ . 11 低噪声放大器设计设计的基本原则 . 12 低噪声放大管的选择原则 . 12 输入输出匹配电路的设计原则 . 12 第三章 低噪声放大器的设计 . 15 放大器设计的主要流程 . 15 低噪声放大管的选择 . 15 稳定性计算 . 17 输入输出匹配电路电路设计 . 18 偏置电路 . 19 电路中需要注意的一些问题 . 19 第四章 件仿真设计及电路的最终实现 . 21 件介绍 . 21 真设计 . 23 S 参数仿 真 . 23 型仿真 . 26 封装模型仿真 . 39 真设计结果分析 . 46 第五章 设计和最终电路的测试 . 47 电路图 . 47 介绍 . 47 用 制 . 47 电路焊接和测试结果 . 49 第六章 总结与展望 . 52 本文总结 . 52 不足与进一步的工作 . 52 第七章 结束语 . 54 参考文献 . 55 致谢 . 56 附录 A . 57 第一章 绪论 低噪声放大器 在无线通信系统中，为了提高接 受信号的灵敏度，一般在接收机前端放置低噪声放大器用来提高增益并降低系统的噪声系数。 概念 低噪声放大器是 噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数 F 来表示。理想放大器的噪声系数 F 1（ 0 分贝） ，其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管； 微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器 ，常温 参放的 噪声 温度 低于几十度(绝对温度 )，致冷参量放大器可达 20K 以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于 2 分贝。放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。在工作频率和信源内阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直流工作点有关。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极级联的低噪声放大电路。 主要功能 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射 小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下： S=0 ，在各种特定（带宽、解调 S/N 已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数 决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所 需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 主要应用领域 低噪声放大器可以使接收机接受的的微弱信号放大，并降低噪声的干扰，无失真的将信号放大传给下一级电路，是通信系统中重要的前端必备电路，因此低噪声放大器广泛应用于 微波通信、 收机、遥感遥控、雷达、电子对抗及各种高精度测量系统等领域中，是现代 术发展中必不可少的重要电 路。 低噪声放大器的研究现状 随着半导体器件的发展，低噪声放大器的性能不断提高，采用 效应晶体管的低噪声放大器的在 800段噪声系数可达到 益约17右， 1900段噪声系数可达到 益为 15右。 微波晶体管是较晚开发的三电极半导体器件 ,由于其性能优越 并不断地向高频率、大功率、集成化推进 基本上取代了参放 在其它电路中也可使用 ,如 :混频器 ,倍频器 ,振荡器 ,开关等 . 目前 ,广泛应用及有前景的元件主要有以下五种 . 极结晶体管是普通三极管向射频与微波频段的发展。使用最多的等效电路模型是 型，之后出现了 型， 型和型。 型是 型的发展伸； 型零极点少，故比 型收敛快。 属氧化物场效应管在 下频段应用的越来越多。 双扩散金属氧化物半导体 侧面双扩散金属氧化物半导体 件是大功率微波放大器件。 出了双极型 型 是一个受栅极电压控制的多数载流子器件。这种器件的非线性模型 几个著名器件和软件厂商给出，还在不断完善。 电子迁移率器件在很多场合下已经取代了件。 1980 年提出的这种器件，近几年来才有大量工程应用。 件， 多层涂层结构的变形 件，件发展潜力较大。 质结双极结晶体管是为了提高 发射效率于 1965 年提出，经历了漫长的发展工程，而 1985 年出现的 大结温 Tj,为155呈现出良好的微波特性。 自 1988 年以来，微波半导体器件的性能得到了迅猛的发展，增益高，噪声低，频率高，输出功率大。技术的进步，模型的完整使得 件成为 2断出现的新材料带来微波器件材料日新月异发展。 发明已经使得 现大高功率器件， N 沟道 望担纲 60 低噪声微波放大器（ 广泛应用于微波通信、 收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要电路。 微波晶体管放大器还在向更高工作频率、低噪声、宽频带、集成化和标准化发展。 本文的主要研究成果和内容安排 本文的将基于 真设计低噪声放大器，并优化电路结构，最终设计出符合各项指标基于 效应管的低噪声放大器，并完成实际电路的最终设计和测试，产品结果符合设计要求。 本文研究的主要内容安排如下： 分析一般低噪声放大器的基本结构和各项基本指标，低噪声放大器的一般设计过程。 选 择本文设计的低噪声放大器的晶体管，并初步设计低噪声放大器的匹配网络和偏置电路，稳定性的解决方法。 利用 件仿真设计低噪声放大器，并完成电路图的设计。 完成 ，调试电路并测量实际电路的性能，并与仿真结果比较，最终完成低噪声放大器电路的设计。 第二章 低噪声放大器的 分析与研究 低噪声放大器的基本结构 低噪声放大器由输入匹配网络、微波晶体管放大器和输出匹配网络组成。 低噪声放大器基本结构结构图，如图 示。 图 低噪声放大器的基本结构 输入匹配网络和输出匹配网络作为放大器的匹配电路，用于实现放大器的最佳源匹配和共轭匹配。一般采用电感，电容或微带线来完成匹配电路。 晶体管是放大器的核心器件，所有的外部电路都是为了实现晶体管的更好的发挥功能 ，实现放大器的低噪声，合适的增益和稳定性 。 低噪声放大器的基本指标 低噪声放大器的二端口网路的基本结构图，如图 示。 图 二端口网络结构图 输入匹配网络 微波晶体管放大器 输出匹配网络 晶体管放大器 输入匹配网络 输出匹配网络 50 50 S L 噪声系数 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信 噪比的比值，即： （ 2 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 222m i n 1 - 14s o p ts o p R （ 2 其中 由放大器的管子本身决定的， n 和 体管等效噪声电阻、 以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： 1)/1)/ （ 2 其中 第 在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为： 1 ) （ 2 其中 放大器的噪声温度， 2900 K， NF(= 10 （ 2 增益 放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值： G= (2从 (2计算公式中可见，提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的 整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。 输入输出驻波比 低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情况，我们在设计低噪声放大器的匹配电路时，输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络，而输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计，所以，低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。 这种失配在某些情况下会使系统不稳定，一般情况下，为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响，可用插损很小的隔离器等其他措施来解决。输入输出驻波比计算 公式： 11(2反射系数 放射系数是端口输入电压与输出电压的比值， 表达公式为： =(2当 s = ，放大器的噪声系数最小， 但此时从功率传输的角度来看，输入端是失配的，所以放 大器的功率增益会降低，但有些时候为了获得最小噪声，适当的牺牲一些增益也低噪声放大器设计中经常采用的一种办法。 放大器的动态范围（ 在低噪声放大器的设计中，应充分考虑整个接收机的动态范围，以免在接收机后级造成严重的非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点 少比最大输入信号高 30免大信号输入时产生非线性失真。 除以上各项外，低噪声放大器的工作频率、工作带宽及通带内的增益平坦度等指标也很重要，设计时要认真考虑。 低噪声放大器设计设计的基本 原则 低噪声放大管的选择原则 对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围，目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在 1 分贝以下。 我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行考虑： 1） 微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管的 般要比工作频率高 4 倍以上，现在 效应管的噪声系数在 2在 作频率高端可达到 6 2）微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围 ,一般要求放大器工作增益大于 10上 , 当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声，对于 基站项目由于最大输入信号小于 虑到放大器 13右增益，我们选取了 效应管它的增益可达15 30右。 输入输出匹配电路的设计原则 对于单级晶体管放大器的噪声系数，可以将 表达式 222m i n 1 - 14s o p ts o p R (2化成一个圆的表达式，即等噪声系数圆。圆上每一点代表一个能产生恒定噪声系数 源反射系数。如要获得需要的噪声系数，只要在圆图上画出对应于这个噪声系数的圆，然后将源阻抗匹配到这个圆上的一个点就行了。实际设计中由于要兼顾到放大器的增益，通常我们不取最小噪声系数。在对放大器进行单项化设计时（假定 0），转移功率增益 0 （ 2 其中 211S ， 2211 1111 S， 2222 2211 S， 对于特定的晶体管 同的源反射系数 1 和负载反射系数 2 ，可以构成恒定增益圆，设计时只须将源和负载反射系数分别匹配到相应的圆上，便能得到相应的增益。将恒定增益圆与等噪声系数圆结合起来设计，便能得到比较理想的结果。另外设计中还要注意增益平坦设计主要是高端共轭匹配，低端校正，一般还需在多个中间频率上进行增益规定性校验，在高频应用时由于微波晶体管本身的增益 一般随着频率的升高而降低，为了保证电路在低频率段的增益恒定和稳定性可以 考虑在输入输出端采用高通匹配方式。 在以上的讨论中我们忽略了晶体管的反向传输系数，实际中微波场效应晶体管和双极性晶体管都存在内部反馈，微波管的 表示内部反馈量，它是电压波的反向传输系数。 大，内部反馈越强，反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激振荡。微波管的 表电压波的正向传输系数，也就是放大倍数。 大，则放大以后的功率越强。在同样的反馈系数情况下， 大当然反馈的功率也越 强，因此 影响放大器的稳定性。 一个微波管的射频绝对稳定条件是 ： 22 21 1 2 21 2 2 11 - （ =|2221| ） （ 2 2 1 2 2 111 1S S S ， 2 1 2 2 122 1S S S K 称为稳定性判别系数， K 大于 1 是稳定状态，只有当式中的三个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。实际设计时为了保证低噪声放大器稳定工作还要注意使放大器避开潜在不稳定区。 为改善微波管自身稳定 性，有以下几种方式： 1）串接阻抗负反馈 在 源极和地之间串接一个阻抗元件，从而构成负反馈电路。对于双极晶体管则是在发射极经反馈元件接地。在实际的微波放大器电路中，电路尺寸很小，外接阻抗元件难以实现，因此反馈元件常用一段微带线来代替，它相当于电感性元件的负反馈。 2） 用铁氧体隔离器 铁氧体隔离器应该加在天线与放大器之间，假定铁氧体隔离器的正向功率衰减微为 ，反向功率衰减为 ，且 1， 1。则 0 0 为加隔离器前的反射系数， 为加隔离器后的反射系数。 用以改善稳定性的隔离器应该具有的特性是： (1) 频带必须很宽，要能够覆盖低噪声放大器不稳定频率范围； (2) 反向隔离度并不要求太高； (3) 正向衰减只需保证工作频带之内有较小衰减，以免影响整机噪声系数，而工作频带外，则没有要求。 (4) 隔离器本身端口驻波比要小。 3）稳定衰减器 型阻性衰减器是一种简易可行的改善放大器稳定性的措施， 通常接在低 噪声 放大器末级输出口，有时也可以加在低噪声放大器内的级间，由于衰减器是阻型衰减，不能加在输入口或前级的级间，以免影响噪声系数。在不少情况下，放大器输出口潜在不稳定区较大，在输出端加 型阻性衰减器，对改善稳定性相当有效。 第三章 低噪声放大器的设计 放大器设计的主要流程 低噪声放大管的选择 低噪声放大器 (射频微波电路接收前端的主要部分，由于他位于接收机的最前端，要求他的噪声越小越好，但又要求有一定的增益，最小 噪声和最大选择晶体管 S 参数，噪声参数，功率输出，价格 计算 K 值 算增益 假设 ，在频率 计 2 在稳定区令增益 计 2 画出 验稳定性 设计直流偏置电路，在检验稳定性 安排整个放大器电路 核实可实现性 安排光刻 是 否 否 否 否 是 增益一般不能同时满足，获取最小噪声和最大功率是矛盾的，一般电路设计总是选择折中的方案来达到设计的要求，以牺牲一定的增益来获得最小噪声，而在射频微波通信电路中，需要处理微弱的射频微波信号，因此，讨论合适的低噪声放大器电路的设计具有非常实际的意义。 对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围，目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在 1 分贝以下。 我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面 进行考虑： 1） 微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管的 般要比工作频率高 4 倍以上，现在 效应管的噪声系数在 2在 工作频率高端可达到 6 2）微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围 ,一般要求放大器工作增益大于 10上 , 当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声，对于 基站项目由于最大输入信号小于 虑到放大器 13右增益，我们选取了 效应管它的增益可达15 30右。 安捷伦公司的 一种增强型伪高电子迁移率晶体管 (不需要负栅极电压，与耗尽型管相比较，可以简化排版而且减少零件数，该晶体管最显著的特点是低噪声，并具有高增益、高线性度等特性，他特别适用于工作频率范围在 450 6 间的蜂窝 站、无线本地环路、固定无线接入和其他高性能应用中的第一 阶和第二阶前段低噪声放大器电路中。 本设计采用安捷伦公司的 一种增强型伪高电子迁移率晶体管 (具有噪声低，增益高，线性范围大等特点，是做 2率低噪声放大器的很好的选择。查阅 件可知它的封装模型： 与典型的 同 ,不需要在门级上加负电压偏置 , 而是在门级加正电压偏置。因此 ,偏置电路更像是双极型晶体管的偏置电路。但是与一般的双极型晶体管不同 ,它的偏置电压不是 其封装模型如图 示。 图 封装模型 1. 高线性 度 2. 增强型技术 3. 低噪声系数 4. 优异的稳定性 5. 800微米栅极宽度 6. 低成本的表面小封装 . 带盘式包装选择 在本设计中选用的典型工作点为： V,0 稳定性计算 稳定判别公式： 22 21 1 2 21 2 2 11 - （ =|2221| ） （ 3 查看 算出在 f=近时的 K 值，此时管子的 S 参数如下： 12=j*21=j*22= )曲线图，如图 示。 2 . 0 1 2 2 . 0 1 4 2 . 0 1 6 2 . 0 1 8 2 . 0 2 0 2 . 0 2 2 2 . 0 2 42 . 0 1 0 2 . 0 2 60 . 7 7 9 2 30 . 7 7 9 2 40 . 7 7 9 2 50 . 7 7 9 2 60 . 7 7 9 2 20 . 7 7 9 2 7f r e q , G H )图 优化仿真后的 )曲线图 从图 知优化仿真后 )以达到我们要的 样就可以完成偏置网络的设计。 初步 设计如图 示。 图 初步偏置网路设计图 ， 4， 其中 源级馈电电压，漏极电压， 漏极所需电流， 流经 组成的电压分配网络的电流 ，这样 当 少 10 倍于最大栅极漏电流时，其值可达到 2时由 V， V， 0 56V，得至 ： 00， 200，2。 另外加入 要是给栅极加上一个限流功能 (约为 10右 )，当元件工作在 附近时，这种限流作用就尤为重要。 为了 使得电路工作在低频时能够提高其稳定性 ，在门级输入端加入一个电阻 1 做为 低频阻性终端由于 在输入端 ,所以 取值不能太大 ,否则会影响放大器的噪声性能。 在前节我们做好了输入输出匹配电路，我们在此的偏置电流通过匹配网路的两个电感给晶体管供电，并添加必要的旁路电容，这样进一步设计偏置网络电路如图 示。 1C 121L 71L 81R 51C 191C 181C 20+ 5V 1R 61R 7 1R 81C 131C 141 42 34A T F - 54143P or t i nP or t 加上偏置网络后的电路 图中 1 组成输入匹配网路， 2 组成输出匹配网络， 做门级的偏置电感， 做漏极的偏置电感， 4 分别做为输入和输出匹配网络的低阻抗的带内旁路电容， 非常重要的低频终端，做为低频非常重要的稳定终端， 6 做为 5 的低频旁路电容，他们的值的选择应该非常谨慎，因为他们也为低频的混合频率提供了旁路。同时 用作终止高频二阶谐波分量，从而提高电路线性度 ，这里选取 000则太低会使差。 这样就完成了 偏置电路的设计，在 的给 配网络。这样就初步设计好了低噪声放大器。示。 图 晶体管封装模型的 理图 在原理图中添加一个变量控件 变量控件 添加变量：输入匹配网络的 1；输出匹配网络的 2；输入匹配和输出匹配网络的旁路电容4(4 也加入优化可以提供电路性能 )。在此我们要优化他们的值，在此我们设置各元件的优化范围： 1102： 1101： 02： 03： 04： 0元件面板中加入优化控件和，优化目标控件。优化目标控件设置如下： 1)参数 目标控件设置 (1,1)。 15。 010 025 2)参数 目标控件设置 (2,2)。 15。 010 025 3)参数 目标控件设置 (2,1)。 6。 010 025 4)二端口噪声系数 )的目标控件设置 (1,1)。 。 010 025 其中 匹配目标， 优化扫描控制器名字。 制器的设置：大多数保留，在此吧仿真类型改为 度方式优化，在 置为 50 此次，优化器将重复优化 50 次。 经过多次优化仿真，仿真结果如 图 示 。 图 封装模型优化后的 线图 图 封装模型优化后的 线图 图 封装模型优化后的 线图 1 . 9 6 1 . 9 8 2 . 0 0 2 . 0 2 2 . 0 41 . 9 4 2 . 0 61 . 0 3 81 . 0 4 01 . 0 4 21 . 0 3 61 . 0 4 4f re q , G H 封装模型 的稳定度 图 封装优化模型的 ) 封装优化后低噪声放大器的各项指标都以达到期望目标，并还有一定的余量。 这样就完成了低噪声放大器的 封装模型设计，最终设计后的电路图，如图 示。 图 优化后的 路原理图 经过封装优化后优化的元件值分别如下： 2=1=2=3=4=过考虑到实际情况，不可能所有值的电容 电感都有，所以在下我们选择适当的元件值： 2=1=82=3=204=20 最后我们把源级的负反馈电感用微带线来代替，在此选用的微带特性为： H=20T=他保留。 在 用微带线计算工具 算出微带的特性阻抗为 52，在设计中经常在仿真是把特性阻抗设置我 52，用于和实际相符。经过计算得到微带线长度为 样就将电感 用微带线代替了。 真设计结果分析 低噪声放大器设计，通过 真设计和封装模型仿真设计完成了低噪声放大器的 计，在