（电力电子与电力传动专业论文）c波段低噪声放大器设计.pdf

a b s 仃a c t a so n eo tm l c r o w a v er e c e i v i n gs y s t 锄m o d u l e s ，l o w n o i s ea m p l i f i c rp l a y sa d e c l s l v er o l eo nt h e 觚t i r es y s t 锄r e c e i v i n gs e n s i t i v i t y 锄dn o i s ep e 响咖a 1 1 c e t h e t u 鲫e l e c t r o m cm o b 订i t yt r a n s i s t o ri saf i e l de f r e c t - i 协s i s t o r ，w h i c hh a sa s e n e so f m 印t s ，s u c 扫a s1 1 j 曲。丘- e q u e l l c y ，1 0 wn o i s e ，h i 曲e 伍c i e n c y ，锄ds oo n m u l t i s t a 2 el o w n 0 1 s e 觚1 p l i f i e r sw i 廿lh e m ta r ew i d e l yl l s e d 孟s a t e l l j t er e c e i v 协gs y s t 锄s ，e l e c t r o n i c s y s t e m s 锄dr a d a rs y s t e m s c - b 粕dl o w n o i s e 锄p l 墒e r ( u 、了舢c 眈u i th a sb e e i ld e s i 印e di nt h j st h e s i sb 嬲e d o na 1 1 a l y z l n gt l l ep r i n c i p l e so fm i c r o w a v e1 0 w n o i s ea m p l 论既功ec 疵u i ti sm a d eu d o tm r e es t a g e sw i t ha r f - 3 6 0 7 7 m a t c t l i n gc i r c u i t so f b i 蕊c i r c u i t ，i 】1 p u ts t a g e ，i i l i d d l e s a g e 卸do u t p u ts t a g eh a v eb e 锄i m p l e m e l l t e dt i d u 曲s i l n u l a t i o na n a l v s i s f e e d b a c k m l c r o s t r i p s 盯ea d d e dt os o u r c ee l e c 仃d d et 0 呻r o v e 呦i h t y o f 廿1 ec i r c u i t ，n e 删v e 士e e d b a c kn e 咖r ki sa d d e dt 0m e 订a i l s i s t o r b e t 、e e ng a t e 锄d s o u r c ei i lm et h i r ds t a 2 e t 0 n p r o v e 廿1 ec 沁u i t sg a mn 咖e s sa 1 1 d 邱u t - o 唧u tv s 、讯t l l ew h o l ec h u i ti s s n u l a t e da 1 1 d 0 p t i m i z e db ya d s s 沛u l a t i o n r e s u l t ss h o wt 1 1 a t 小mi i l 3 7 g h z 一4 2 g h zb 锄d ，m eg a i n 伊e a t e rt h a i l3 0 d b ，n o i s ef i 孵l e s s t h 卸o 6 d b v s w r l e s st 1 1 a 1 12 t h er e s u l ts h o w st h a ti ta c h i e v e st h e r e q u i r e m e n to fd e s i g n0 b j e c t i v e k e y w o r d s ：m i c r o w a v el n a脏m t c - b a n d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书焉使用过豹 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：i 丛垒日期：筮翌z ：兰：丝 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解谣安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期闻论文工作麴知识产权单位属谣安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部域部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位力西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 ，! 本人签名：经邀 匿期：互盟2 ：三，至篁 导师签名垂；丛日期：望习：! ：登 第一章绪论 第一章绪论 1 1 低噪声放大器的应用和分类 近年来，无线通信技术发展迅速，微波、射频技术得到广泛应用。通信系统 的发射机和接收机都必须借助各种电子线路对携有信息的电信号进行变换和处 理。低噪声放大器( b wn o i s e 加坤l i 蠡e r ，l n a ) 是接收机翁端的重要组成部分 ( 如图1 1 所示) 其主要作用是放大天线扶空中接收到的徽弱信号，降低嗓声干 扰，以供系统解调出所需的信息数据 1 】。 本撅 基帮 图1 。l 接收祝系统缀溪框图 由上图可以看到低噪声放大器位于在系统前端，其噪声性能的好坏宣按影响 着整机的性能，尤其是接收机灵敏度和整机噪声的好坏。它在不造成接收机线性 恶化的前提下提供一定的增益，抑制后续电路的噪声。所以它必须具有很低的噪 声系数、合适的增益以及低的功耗。 低噪声微波放大器目前已广泛应用于微波通信、g p s 接收机、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。 放大器按主要技术指标的不同，可以有不同的分类方法。按频段划分，比如， l 波段放大器、c 波段放大器、x 波段放大器等等：按工作带宽的宽窄，可将放 大器分为宽带放大器系列和窄带放大器系列：按输出功率静大小，可将其分为小 功率放大器系列、中功率放大器系列和高功率放大器系列以及极高功率的放大器 系列；按输入信号的大小，可分为小信号放大器系列和通用放大器系列；按噪声 系数的大小，可分为低噪声放大器系列和普通放大器系列；按输出增益平坦度的 好坏又有限幅放大器等系列疆】。 以上的划分没有严格的界限，总体来讲，放大器可以分为两大类：功率放大 c 波段低噪声放大器设计 器系列和低噪声放大器系列。原因是由于在放大器系列的所有应用中，其噪声系 数和输出的功率是应用者最为关心的两个关键指标。一般而言，功率放大器和低 噪声放大器分别可以用p a ( p o w e r a m p l i 丘e r ) 和l n a ( l 0 wn o i s ea m p l i f i e r ) 来 表示。功率放大器主要是应用于发射系统中，将信号放大到足够的功率电平，以 实现信号的发射，实现信号的远距离传输并保障系统可靠的接收。而低噪声放大 器则应用于接收系统中，其主要目的是为了减少系统的杂波，放大系统的信号， 尽量减小系统的噪声，提高接收系统的灵敏度。本课题中设计的放大器，就属于 低噪声放大器系列。如果按频段划分，则属于c 波段系列。目的是为了实现系统 宽频带内的低噪声、高增益、低反射等技术指标。 1 2 研究意义及发展现状 上世纪四十年代微波晶体管问世，由于其体积小、重量轻使得其成为微波固 体器件的一个重要分支。到了六十年代中期，由于平面外延工艺的发展，双极晶 体管能够应用于微波频段。而且，随着半导体材料和工艺的迅速发展，场效应晶 体管紧接着也应用于微波频段。微波晶体管放大器具有宽频带、稳定性好、噪声 性能好、动态范围大等优点【3 】。 在过去的二十几年，低噪声技术有了长远的发展。在8 0 年代早期，低噪声放 大器的噪声性能已经相当出色了，然而其体积重量都比较大，功耗也比较大。卫 星地面终端对低噪声、重量轻、低功耗以及高可靠性同时提出了要求，当时的低 噪声放大器还很难同时达到上述要求【4 】【5 】。 随着器件工艺技术的发展，人们开发了许多新型的半导体器件。除砷化镓场 效应晶体管( g a a 5f e t ) 外，其佼佼者有高电子迁移率晶体管( h e m t ) 和异质 结双极晶体管( 皿t ) 。1 9 8 1 年法国t h o m s o n c s f 公司研制成功第一个低声高电 子迁移率晶体管，在1 0 g h z 下，噪声系数为2 3 d b ，增益为1 0 3 d b 【6 】【7 】。在之后 的五年里，既m t 已经取得了显著的进展，成为公认的最适合微波应用的低噪声 器件之。在6 0 g h z 下，用g 啦s 基的脏m t 器件能够达到的噪声系数为1 7 d b ， 而增益为7 6 d b l 8 】【9 】。i i l p 旺m t 在1 9 8 7 年问世之后的几年里，噪声性能已经提 高到令人惊奇的程度，是目前毫米波高端应用最好的低噪声器件。在6 0 g h z 下， i n p h e m t 能够达到噪声系数为0 9 8 ( 1 b ，增益8 6 d b 【l o 】【1 i 】。 近年来随着微波、毫米波技术的迅速发展，微波通信、导航、制导、卫星通 信以及军事电子对抗战和雷达等领域对放大器件的需求量也越来越大。尤其是低 噪声放大器件，提出了更高的要求，以减小不需要的干扰因素，放大接收到的有 用信号。另一方面，由于新材料、新工艺的不断出现，以及半导体技术的迅速发 展，各种新的射频模块层出不穷，使得微波、毫米波有源电路的研制周期不断缩 第一章绪论3 短，且电路集成度越来越高，体积越来越小。因此，为了适应来来形势的发展需 要，我钓有必要缩短研制设计周期，研制高性麓、低噪声、小体积的微波赦大器 件，这已是目前国内豳际各个应用领域的关键环节之一【l 2 1 。 由于放大器在各类微波系统中的重要作用，近一、二十年来，国外对于这类 器件的投入和研究都很多。随着集成度和微波王艺的迅速提嵩，人们对放大器件 的性能指标也提出了更高的要求。为了适应更为广泛的情况，宽频带、低噪声的 放大器越来越受到人们的青睐。 现在的微波应用对于体积的要求是越小越好，因此，如何减小放大器的体积 也成为现在微波技术的关键之一。蠢前，国外大多采用高度集成的单片集成电路 ( m m i c ) 的形式。与欧美等发达国家相比，国内制作工艺发展比较慢。 单片微波集成电路是采用平丽技术，将元器件、传输线、互连线直接制 作在半导体基片上的功能块，因此具有体积小、集成度高等优点；混合集成电 路加工是借助于半导体工艺的制板与光刻技术，把分布参数电路制作在介质基片 上，使得复杂的电路很容易很精确地进行复制。有源半导体器件单独焊装就可能 事先进行测量挑选，因而电路生产重复性好。有源半导体器件的封装形式都是平 面形，便于和平面微带线连接，丽臣微带电路是半开放式，方便进行微调和测试， 虽然体积较大，但可获得更低的噪声，目前为止采用m m i c 的l n a 最小噪声仍 然要高予混合m i c 的产品。1 9 8 9 年，由混合微波集成电路技术制成的三级h l p 基放大器在6 秘6 5 g 雕z 频段内，已经达到噪声系数3 。0 d b ，其相关增益为2 2 d b 。 三年以后，噪声系数已达到1 6 d b ，相关增益为1 6 d b 【玛】。 目前低噪声放大器绝大部分采用薄膜微带电路，用微带线网络构成输入匹配 电路、级间匹配电路和输出匹配电路。微带电路都是用微波计算机辅助设计软件 进行设计的，尽管电路结构和几何形状千差万剃，但基本原燹| l 都是为了达到良好 阻抗变换和阻抗匹配【1 4 1 。 另外，近年出现的l t c c ( 低温陶瓷共烧) 工艺也广泛的应用在微波电 路中，越来越多地受到重视。 在计算机时代到来以前，传统的设计有源低噪声电路的方法是采用旋转 s m i m 圆图法，再经过人工的计算逐步进行设计。这种方法简单、易于掌握，但 是操作起来麻烦，而且人工计算复杂，出现错误不易检查；设计的周期往往较长， 如果一次不能成功，黉| j 设计周期将变得更长，浪费了大量财力，增加了研制成本。 随着计算机技术的高度发展，与微波电路相关的仿真软件也不断的涌现。从 最初简单的计算功能发展到最近的电磁仿真功能，软件的设计功能逐步得到加强。 电磁仿真软件的出现，对予减少入工计算量，提高设计精度，筒讫设计过程，缩 短产品的研制周期起到了非常重要的作用。有源仿真软件中，以安捷伦公司开发 的a d s 软件功能最为强大，经过实践检验，通过a d s 软件仿真出来的低噪声放 c 波段低噪声放大器设计 大器，实际测试结果和理论值吻合的较好，指标令人满意。因此，在计算机技术 高度发展的今天，利用a d s 仿真软件进行有源低噪声放大器件的研究和开发，已 经变得非常的普遍【1 5 】。 1 3 论文工作安排 本文围绕c 波段低噪声放大器的仿真设计和电路优化而展开理论研究和电路 设计工作，具体如下： 先是在绪论简单介绍了低噪声放大器的应用、分类以及它的研究意义和目前 国内外的发展现状。在第二章里介绍了低噪声放大器的理论基础、相关的一些重 要参数和电路的匹配知识。第三章对目前的常用有源器件做了详细对比，找到了 适合本设计所需要的晶体管类型，并对本次设计中所使用的h e m t 晶体管的结构 和等效电路模型进行了分析。第四章具体的介绍了本论文c 波段低噪声放大器的 设计过程，并在最后给出了它的版图设计。 设计好后的低噪声放大器在c 波段( 3 7 g h z - - 4 2 g h z ) ；增益大于3 0 曲：噪 声系数小于o 6 d b ：输入输出电压驻波比小于2 。 第二章低噪声放大电路遴论基础 第二章低噪声放大电路理论基础 2 1 二端口网络理论 对予低频电路，通常在一定情况下允许在短路或开路的条件下进行测量。但 对于微波电路来说，端口的开路或短路由于反射系数的模为l ，可能会烧毁有源 器件。而且在一些射频放大电路中，对负载和信号源的匹配要求严格，在开路或 者短路的条件下将会导致放大电路工作在菲稳定区域，处于振荡状态，无法测量 得到放大电路的参数。因此从实际测量出发需要一种在网络端口匹配条件下描述 网络特性的参数。s 参量在射频电路中应用广泛，它可以避开不现实的终端条件 以及避免造成待测器件的损坏的前提下，用两端囹网络的分析方法确定咒乎所有 射频器件的特征【2 】。 2 1 1s 参量的定义 s 参量表达的是电压波。它使我们可以用入射电压波和反射电压波的方式定 义网络的输入输出关系。 a l _ 一 b l 【s 】 a 2 卅卜 _ b 2 圈2 ，l 线彤二褒墨燃矮 如图2 1 所示，可以定义归化入射电压波和归一化反射电压波b 。如下： 铲壶哌+ z o 娌。1 驴赢叱吃 q 乏 其中下标珏为端因编号l 或2 。阻抗蜀是连接在网络输入输出端器的传输特 性阻抗。初步讨论假设输入输出端网的传输特性阻抗相同。 变换以上( 2 1 ) ( 2 2 ) 式可得到以下的电压电流表达式： 圪= 0 i ( 嚷+ ) ( 2 3 ) 小宏h 心) q 4 ) c 波段低噪声放大器设计 由( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 式i j 以话牟得正i 可汲利及l 司汲，如卜： q n ：噜：厄l ： v o o b n ：弩：一厄i ： v 厶。 根据电压波芳向的规定，可以定义s 参量： 耻知。二黼口， l _ ! 吁而l j 习_ 驭 驴知二勰口 l 坷葡l j 习_ 彼 耻知= 器巩z 圻币u 习_ 议 耻舢= 糕口 z ，而l _ j 习_ 彼 其中a 2 = o 和a 1 = o 意味着2 端口和1 端口都没有功率波返回网络， 能在两端传输线都匹配时才成立。 ，12s 参量的物理音鼙 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 该条件只 s 参量只能在输入输出端口匹配的条件下才能确定。例如要测量s 1 1 和s 2 l 必 须确保输出端口特性阻抗为z o 的传输线处于匹配状态下，以便形成a 2 = o 的情况。 根据反射系数的定义，我们可以得到s s 1 1 = r i n = 甓 ( 2 - 由此可得到回波损耗： r l = 一1 0 l o g ( 詈) = 一2 0 l o g i r i i i i = 一2 0 l o g i s l l l ( 2 1 2 ) no iu i lo - j - - 令端口2 有适当的终端条件，可知： 最=鲁i。：。2燕ie。瞄。 c 2 - t 3 ， 第二章低噪声放大电路理论基础 用信号源上的电压v g 。与信号源内阻z 0 上的电压降之差代替v l 一可得 耻篆= 卺 由此可得，2 端口的电压与信号源电压有直接关系， 正向增益。将( 2 1 4 ) 式平方后可得到正向功率增益： g o - 阱= l ( 2 1 4 ) 所以它可以表示网络的 ( 2 1 5 ) 将测试系统反过来，在2 端口家信号源vgz 并令1 端口有适当的终端条件， 如图所示，我们可以得到其余的两个s 参量( s ：和是：) 。其中 耻k = 翳 ( 2 1 6 ) 墨，：翌：当 ( 2 1 7 ) “ ： 这就是所谓的反向增益，其平方i s l 2 1 2 被称为反向功率增益。s 1 1 和s 2 2 可以直 接由阻抗参数确定，s 2 l 和s 1 2 却必须用适当的网络参数代换相应的电压求得。 2 2 放大器稳定性的判定 放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性。这一点对 于放大器电路来说是非常重要的，因为假如在设计和制造放大器时不谨慎从事， 在微波频率上一些不可避免的寄生因素往往足以引起振荡【l6 1 。 放大器的稳定性问题分为两大类：一类称为绝对稳定或无条件稳定，在这种 情况下，对于所有的无源负载和信号源阻抗，放大器都能稳定地工作；另一类称 为潜在不稳定或有条件稳定，在这种情况下，负载阻抗和信号源阻抗不能任意选 取，要有一定的限制，否则放大器不能稳定工作。微波放大电路的稳定性分析通 常是把放大电路作为一个s 参数已知的二端口网络进行讨论，该网络由s 参量及 外部终端条件r l 和r s 确定，稳定性意味着反射系数的模小于1 。即： n l 1 ，n l 1 ( 2 1 8 ) r 如l i r 鲫， i 瓮l 1 1 一s 2 2 r 工i 1 1 鬻l 斟 标准二：两参数判断准则( k 参数) k 1 l l 1 ( 2 3 1 ) e o 这三个标准是等价的，只要一个有源器件满足其中任何一个标准，也就自动 满足另外两个标准。 对于不满足以上标准的称为潜在不稳定状态，在这种状态下可能产生自激振 荡。对于潜在不稳定的晶体管，不能对其采用共扼匹配的方法设计电路，因为共 扼匹配点就是自激振荡点。在该点附近的一些区域内均存在不稳定的状态。这样 放大器的工作点必须选在不稳定区之外，可以看出这样设计的放大器输入输出驻 波比都不会太好，因为达不到共扼匹配。 改善器件稳定性的方法： ( 1 ) 在输入电路或者输出电路中增加纯电阻，这样可以提高电路的稳定性， 但是我们知道电阻会带来热噪声，所以般我们在输入端不采用这种方法。在输 出端我们可以采用，但这种方法的缺点是会降低低噪声放大器的增益。 ( 2 ) 在放大电路中引入负反馈，减少s 1 2 形成的正反馈，降低输入和输出电路 的电压反射系数。我们可以在器件的栅极和漏极引入r l c 反馈网络，或者在器件 的源极串联电阻或感性元件形成负反馈，一般用一段微带线来实现，实现起来简 单、方便，成本较低，且易于调试。 2 3 1 放大器功率增益的定义 2 3 放大器的增益 微波放大器稳定性是放大器设计中最重要的因素，第二重要的因素就是放大 电路的增益。放大电路的增益是放大电路最重要性能指标，也是设计放大电路的 一个基本参数。在低频放大电路中，通常用电压放大系数表示放大电路的增益。 而在微波放大电路中，增益通常用功率增益进行描述。微波放大电路功率增益主 要有三种描述方式：可用功率增益g a ，工作功率增益唧，转换功率增益g t 【。 第二章低噪声放大电路理论基础 图2 3 微波放大电路功率增益框图 典型的微波放大电路可以通过上面的框图表示，因为通常输入和输出匹配网 络都是无耗网络，所以流进匹配网络的功率和流出匹配网络的功率总是相同的。 在框图中p i 。定义为流进输入匹配网络或者输入到微波晶体管的功率；p 。定义为流 进输出匹配网络或者负载吸收的功率。p i n 和p l 描述了微波晶体管输入功率和负载 吸收的功率，但是不能反映输入和输出端口的匹配情况。对于相同的信号源，晶 体管和负载，由于匹配网络不同，会导致p i n 和p l 发生很大变化。为了描述输入输 出匹配网络的性能，引入两个功率参数p a v s 和p a v n 。p a v s 为信源可用功率，在阻抗 共轭匹配的情况下，负载可以得到信号源的最大输出功率。例如当r s = r i n 木时，晶 体管通过匹配网络得到信号源的最大输出功率。p a v n 为网络可用功率，例如当 r l _ r o 。宰时，在共轭匹配条件下，负载得到两端口网络输出的最大功率。 对三种功率增益的定义如下： 转换功率增益： q = 去= 篙躺蒜 协3 2 ， 工作功率增益： ，、，、e负载吸收的功率， g p 娟2 嚣5 券蒜赫纛 q 。3 3 可用功率增益： 瓯= 哿= 罴淼 协3 4 ， c 波段低噪声放大器设计 通过使用图2 4 所示的信号流程图进行分析计算，可以得到放大电路中功率 的表达式。 转换功率增益研为： q = 岛阱嵩 协3 5 ， 1 1 1 一r 折吖门1 i1 1 一最：吖 或者为 q = 器阱岛 协3 6 ， 工作功率增益g p 为： q 2 南阱器 协3 7 ， q = 岛阱南 其中 。”畿 唱+ 黼 通过以上公式就可以完成放大电路的三种功率增益的计算， 管的散射参数，输入输出匹配电路参数，信号源和负载的参数， 放大电路的功率增益。 ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 如果确定了晶体 就可以计算得到 在一些情况下，微波晶体管的反向电压传输系数ls 1 2 i 彳艮小，因而可以认为晶 体管具有单向信号传输的特性，使计算功率增益更为简便。对于具有单向传输特 第二章低噪声放大电路理论基础 性的晶体管，我们由式( 2 3 9 ) 和( 2 4 0 ) 可得r i 。= s l l 和r 0 。t s 2 2 。从而根据式( 2 3 5 ) 可得单向传输晶体管的转换功率增益为： 耻高b l l 2 器 协4 。 1 i l s 】i s i2 i 引。1 1 _ s 2 2 r 1 2 于是可改写为三项增益的乘积形式g = g 。e g ，其中g ；为输入匹配电路的 功率增益，g 。为晶体管放大的功率增益为，g ，为输出匹配电路的功率增益。此处 由输入输出匹配电路得到的功率增益可以理解为是由于引入匹配电路减少了由于 失配带来的功率损失所以可以等效为具有一定的功率增益。 对于绝对稳定的单向传输晶体管，满足条件j s l lj 1 和i s 2 2 i 1 。当放大电路的 输入端满足共轭匹配条件r s - s 1 1 时，输入匹配电路获得最大功率增益。当放大电 路的输出端满足共轭匹配条件r l _ s 2 2 时，输出匹配电路获得最大功率增益。当放 大电路的输入端和输出端都处于共轭匹配状态时，系统获得最大的转换功率增益。 显然对于输入匹配电路的最大功率增益，在r s 平面上对应于一个点s l l ，如 果输入匹配电路的功率增益小于最大功率增益，在r s 平面上对应于一个圆，称为 等增益圆。等增益圆可以根据晶体管的s 参数计算得到。利用输入输出等增益圆 可以辅助微波放大电路的设计和匹配电路的设计。 由于实际微波晶体管的反向电压传输系数s 1 2 不为0 ，所以基于单向设计的传 输假设设计的电路带来一些误差。可以用单向化设计误差因子u 来度量。 u ：掣掣剑斗 ( 2 4 2 ) ( 1 一i s 。 ) ( 1 一l 2 ) 在评估单向化放大器设计方案时，这个误差因子应当尽量小。在极限情况下， 即在s 1 2 = o 时的理想情况下，误差消失【2 】1 1 7 1 。 2 3 3 双共轭匹配设计法 在许多实际情况下，采用单向化设计法并不合适，因为令s 1 2 = o 将导致超出 误差要求的不可容忍的结果。双共轭匹配设计法没用忽略晶体管的反馈效应，所 以，不同于单向化设计的匹配条件r s = s 1 l ，r l - s 2 2 ，它需要处理反射系数的完整 方程，此时系统获得最大传输功率增益的条件为r s = r i n ，r l _ r 。其中r i n 和 r o 。如式( 2 3 9 ) 和( 2 4 0 ) 所示，分别为放大电路输入端口和输出端口的电压反 射系数f 2 】【18 1 。 通过对r s = r j 。， r l - r o 。t 的求解可以得到r s 和r l r 。= r 肿：垒圭 垒：二兰1 9 1 二- ( 2 4 3 ) r j = r 腑= l ! _ 毛_ 卫 ( 2 4 3 ) c 波段低噪声放大器设计 其中 中k 挈 蜀= 1 + 刚2 一刚2 一i 1 2 b = 1 一酬2 + 刚2 一i 1 2 c l = s 。一皈 c 2 = 最：一峨 2 4 微波放大电路中的噪声 ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) 噪声是存在于电路内部的一种固有扰动信号，它是由于组成电路的器件材料 的物理性质以及温度等原因引起电荷载流子运动发生不规则变化而产生的。噪声 是一种随机信号，在任一瞬时不能预知其精确大小，但是某些噪声遵循一定的统 计分布规律，因而这些噪声又是统计可知的【1 9 】。 噪声在实际电路中是极其有害的，由于噪声总是与有用信号混同在一起，因 而会影响对微弱信号的正确检测。当输入信号很小，以致噪声与信号可以相比较 时，信号就会受到严重的干扰，甚至完全被噪声所淹没。因此，噪声决定了电路 输入信号的下限。另一方面，如果电路的增益很高，即使输入信号为零，输出的 噪声信号同样会使输出级限幅，进入饱和或截止状态。所以噪声也限制了增益的 上限。从微观上讲，电流是由电子的运动形成的。在宏观看来非常稳定的直流电 流也由许多相互独立的电子电流脉冲所组成。电噪声反映了分立的荷电载流子在 集成元器件中的运动过程。由于噪声在电路内部是固有的，因此不能采用屏蔽的 方法予以消除，但是我们可以通过分析这些噪声的特性及其在电路中的规律，从 电路设计上、从合理选取元件上控制噪声，降低噪声，提高电子系统的效率。 2 4 1 几种主要的噪声源 噪声的类型有好几种，一般来说，在电路中主要存在着以下几种类型的噪声， 即热噪声( t 1 1 e m a l n o i s e ) 、散粒噪声( s h o t n o i s e ) 和闪烁噪声( f l i c k e r n o i s e ) 。 ( 1 ) 热噪声 热噪声是由导体中电荷载流子( 自由电子) 的随机热运动引起的，是一种基 本噪声，在有源器件和无源器件中都存在。由于电子携带一定量的电荷，因此电 子的随机运动表现出电流大小有波动。虽然从长时间来看，这些波动产生的电流 平均值为零，但是在每一瞬时它们并不为零，而是在平均值上下取值。所以，在 第二章低噪声放大电路理论基础 每一瞬时这种波动电流便在导体两端形成了电位差，这就是热噪声电压。热激发 不断的改变着导体中的载流子，引发了不断随机变化的电流，从而产生了随机的 电压。因为噪声过程是随机的，我们不能在个特定的时间点上确定一个准确的 电压值，只能借助统计分析的方法来确定噪声值，比如均方值或者均方根值。 噪声功率与绝对温度t 成正比，与系统的频带宽度b 成正比。实验研究得到一 个电阻产生的热噪声功率为： r = 七徊 ( 2 - 4 9 ) 其中k 为波尔兹曼常数，t 为绝对温度，b = f h f l 为频带宽度。所以可知一个电 阻产生的功率与电阻值无关。 ( 2 ) 散粒噪声 散粒噪声的基本原理是电子电荷的粒子特性。要产生散粒噪声，必须满足两 个条件，即必须有直流电流流过而且必须有载流子能越过的势垒。第二个条件通 常告诉我们，线性电阻并不产生散粒噪声，尽管电子电荷具量子特性。事实上， 电荷是以离散波束的形式出现的，这表明每当有电子越过势垒时就会有不连续的 电流脉冲。它出现的时间是随机的，所以散粒噪声是白噪声( 在整个频段内噪声 系数为恒值的噪声叫做白噪声) 。如果所有的载流子同时越过势垒，散粒噪声的 特性就会好得多。闪烁噪声的功率与厄成正比，在晶体管，二极管等有源器件 的界面产生。 ( 3 ) 闪烁噪声 闪烁噪声又称1 噪声，它是表面能态中的载流子引起陷阱的产生和消失所引 发的，这是一个与过程有关的噪声机构，可能是杂质缺陷和位错引起的。闪烁噪 声的频谱密度随频率的降低而升高，所以在低频时会起很大作用，在射频和微波 频段内，闪烁噪声一般较弱，可以忽略不计。 2 4 2 噪声的来源 噪声一般指内部噪声，可分为自然噪声和人为的噪声两种。自然噪声有热噪 声、散粒噪声和闪烁噪声等。人为噪声有交流噪声、感应噪声和接触不良噪声等。 理论上说，任何电子线路都有电子噪声，但通常电子噪声的强度很弱，主要对信 号较弱的电路有较大的影响。在电子线路中，噪声来源主要有两方面：电阻噪声 和半导体管的噪纠”】。 ( 1 ) 电阻热噪声 热噪声电流在电阻内流动时，就形成热噪声电压。由于该电压是随机的，不 可能用一个瞬时值来表征，通常用均方根e n 来表示。这样，任何一个电阻在电路 中的作用就等效为一个电阻r 和它的热噪声电压e n 的串联。 1 6 c 波段低噪声放大器设计 从大量的实践和理论分析中获得了热噪声的规律：其均方根电压e n 具有很宽 的频谱，且各个频率分量强度相等。通带内热噪声的均方电压为e 。2 = 4 七豫矽。式 中v n 是噪声电压，以v 为单位；k b 是玻尔兹曼常数，1 3 8 1 0 ( 2 3 ) j 依：t 是温度， 以k 为单位；r 是电阻，以q 为单位；f 是带宽，以h z 为单位。 ( 2 ) 半导体管的噪声 二极管的噪声： 晶体二极管的噪声主要是p n 结产生的散粒噪声。二极管正偏时，主要是直流 通过p n 结时产生的散粒噪声，半导体材料的电阻产生热噪声可忽略不计。反偏时， 因反向饱和电流很小，故其产生的散粒噪声也小。如果达到反向击穿，又分两种 情况：齐纳击穿二极管主要是散粒噪声，个别的有1 僳声；雪崩击穿二极管的噪 声较大，除有散粒噪声，其噪声电压会在两个或两个以上不同电平上进行随机转 换，这种多电平工作是由于结片内杂质缺陷和结宽的变化所引起。 双极型晶体三极管的噪声： 一般在放大电路中，晶体三极管的噪声往往比电阻热噪声强得多。在晶体三 极管中，主要存在两类噪声：基区体电阻的热噪声和p n 结散粒噪声( 一般情况下， 散粒噪声大于电阻热噪声) 。此外，低频段还存在1 躁声。 场效应管的噪声： 在场效应管中，由于其工作原理不是靠少数载流子的运动，因而散粒噪声的 影响很小。沟道是物理电阻，将产生热噪声，这是场效应管的主要噪声源。除此 以外，沟道还将通过栅电容将沟道电势起伏耦合到栅极上，从而产生感应栅噪声。 在漏极电流中还存在1 噪声。一般说来，场效应管的总噪声要比晶体三极管的噪 声小。 2 4 3 等效噪声温度和噪声系数 ( 1 ) 等效噪声温度 对于微波放大电路，噪声功率谱在系统频带范围内变化不大，可以近似作为 白噪声进行分析处理，在这种情况下，引入等效噪声温度的概念来描述噪声。对 于任意一个白噪声功率源，噪声可用功率为p s ，内阻为r s 。该白噪声可以等效为 电阻r s ，在温度t 。为下输出的噪声p s = k b t 。，等效噪声温度定义为： 互2 嚣 q o ) p 其中b 为系统的频带宽度。 ( 2 ) 噪声系数 在放大电路的噪声分析中，在很多情况下使用噪声系数进行计算。噪声系数 n f 定义为：放大电路输出总噪声的可用功率与其中由输入电阻的热噪声导致的噪 第二章低噪声敖大电路理论基础 声可用功率的比值。噪声系数n f 表示为： 肌纛= 鬻小杀 沼5 ” o 彳魁o d1 0 其中p t n o 为输出总噪声的可用功率，p 1 n o 为输入电阻的热噪声导致的噪声可 用功率。 噪声系数还可以用输入端和输出端的信噪比的形式来描述。微波放大电路输 入端的信噪比为s n r j 。爿? s l p n i ，输出端的信噪比为s n r 。u t = - p s o p n o ，并且放大电 路的可用功率增益为g a = p s p s l 。所以依据放大电路的噪声系数的定义，n f 可 以表示为： ，= 墅：上l 。璺堕( 2 5 2 ) 岛og l p 咐s n r 嘲t 可以看出，噪声系数表征了信号逶过系统藤，系统内部噪声造成信嗓琵恶纯 的程度。如果系统是无噪的，不管系统的增益多大，输入的信号和噪声都同样被 放大，而没有添加任何噪声，因此输入输出的信噪比相等，相应的噪声系数为1 。 有噪系统的噪声系数均大子董。低噪声设计的虽的就是鼢值尽可能的小。 ( 3 ) 级联放大器的噪声系数 对予n 级放大电路组成的系统，如果第i 级的增益为g a i ，噪声系数为f i ， 可以推导得到系统总的噪声系数为f 与各级噪声系数e 之间的关系为： f 。f + 盟+ 互兰+ + 益二!( 2 5 3 ) 1 q lq l q 2g _ l q 2 g 删卅， 2 。4 ，4 ：端蜀网络的嗓声 由数学推导可以证明，线性二端口网络的噪声系数与信号源的阻抗有关，噪 声系数f 与源导纳y s 的数学关系如下式所示： 。， 砸一+ 鲁| 嚣一k | ( 2 - 5 4 ) 式中y s g s + j b s 是信号源导纳，y 。o p t 是二端口网络获得最小噪声系数f 秭n 时的 最佳信号源导纳，砥是一个具有电阻量纲的常量，通常称它为线性二端溺霹络麓 等效噪声电阻，它表明网络的噪声系数f 对信号源导纳变化的敏感程度。由式( 2 5 4 ) 我们可以得出结论，线性二端口的噪声系数与源阻抗有关，而与负载阻抗无关， 并且二端墨网络的最小噪声系数f 腩是一个常量。由于s 参量表示方法最适合于射 频微波电路设计，我们用反射系数替代上式中的导纳可以得到： c 波段低噪声放大器设计 一等揣 协5 5 ， 厶n ，1 一i t l 。、1 1 _ lt i 其中f m i 。、碥和r 。为已知数。一般情况下，我们可以通过调整r s 来改变 噪声系数。 我们定义噪声参数n 为 肚踹 协5 6 ， 注意到当噪声系数n f 为固定值时( n f 埘盯m j n ) ，噪声参数为正常数。从式 ( 2 5 6 ) 出发经过推导可以得到当噪声参数为常数时，源电压反射系数r s 在复平 面上满足圆方程 n g i = 砟 ( 2 5 7 ) 其中圆心为 c ，2 嵩 q 5 8 ) 半径为 耻巫篙业 协5 9 ， 对于不同的噪声参数n 可以得到相应的噪声系数n f 。因此，具有相同噪声 系数的r s ，在复平面上对应于满足式( 2 5 7 ) 的一系列圆，称为等噪声系数圆。 在低噪声放大电路的设计中，我们总是以牺牲功率增益和驻波比来换取低噪 声特性。因为最大功率增益设计与最小噪声设计要求的最佳条件是不一样的，不 能同时满足，所以通常取噪声系数和功率增益的折衷方案。 2 5 端口驻波比v s w r 低噪声放大器的输入输出反射系数表征着输入输出信号的反射损耗，通常用 输入输出驻波比来表示，将低噪声放大器看成标准两端口网络则【1 】： 飚巩= 制 协6 。， 昭吼，= 制 协6 t ， 输入输出驻波比过大时不仅会损坏与低噪声放大器极联的器件还会使系统的 第二章低噪声放大电路理论基础 增益起伏和群迟延变坏，因此低噪声放大器的输入输出驻波比应该满足一定要求， 在大容量数字通信系统中低噪声放大器的输入输出驻波比取1 2 ：1 ，而在一般系统 中功率放大器的输入输出驻波比可以取到2 ：1 。 2 6 工作频率及带宽 低噪声放大器的工作频率及带宽是指其在频域的工作范围，在此范围内其各 项指标满足要求如功率增益满足平坦度要求，噪声系数低于某一范围等。通常人 们定义带宽为：相对带宽= ( 上限频率下限频率) 中心频率，当相对带宽小于1 0 时称为窄带放大器，当相对带宽大于3 0 时称为宽带放大器，而相对带宽大于1 0 0 时称为超宽带放大器。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作频带一般不大宽较多为2 0 上下。 2 7 增益平坦度 增益平坦度是指工作频段内功率增益的起伏，常用最高增益与最小增益之差 巧d l g l - g t 嗽一g t n i 。对于低噪声放大电路来说，就是全频带范围内增益变化要平缓， 不允许增益变化陡变。放大器的增益平坦度如图2 5 所示。 g d b 图2 5 放大器的增益平坦度表示图 2 8 匹配理论 阻抗匹配电路是微波电路的一个重要组成部分。阻抗匹配电路通过在两个电 路中插入定的网络，能够在两个电路之间获得某些特定的传输标准，如最大功 率传输、获得最小噪声系数、最佳频率响应、最大功率容量等。在微波晶体管放 大器、振荡器、混频器等的输入输出电路中，都需要设计阻抗匹配电路，保障电 2 0c 波段低噪声放大器设计 路的正常工作。在多级放大电路的级间耦合电路中，也需要设计阻抗匹配电路。 阻抗匹配电路的设计就是构建一个合适的无源无耗两端口网络，将一个阻抗变换 到另一个合适的阻抗。 匹配电路主要完成以下目标： ( 1 ) 提高有源器件在工作频段的稳定性： ( 2 ) 降低电路的噪声系数和输入输出反射； ( 3 ) 提高电路的输出功率。 匹配网络包括分立元件匹配网络及微带匹配网络。只要负载不为纯虚数，总 可以设计一个无耗网络进行匹配，事实上，负载一般都具有非零的实部。 在设计微波电路匹配网络时，主要考虑以下几个方面的要求【2 】【2 0 】： ( 1 ) 简单性：选择通过简单的电路实现匹配，可以使用更少的器件，减少损 耗并降低成本，可靠性也获得提高。 ( 2 ) 频带宽度：一般匹配电路都可以消除在某一频率上的反射，在该频率下 实现完全匹配。但是如果实现在一定频带宽度内的匹配，则需要更复杂的匹配网 络设计，需要