（电磁场与微波技术专业论文）基于ads的s波段的低噪声放大器设计.pdf

摘要 f r lf i l lflli i i j i l l l li l l l r r l l l l l l f l l l l l f y 19 7 4 6 7 8 摘要 当今社会的移动通信技术发展之迅速，使得人们的生活、娱乐、科技方面都 得到了很大的改善，所以人们也追求更高的通信技术。也促使了它的发展。另一 方面也是因为无线通信带来了很多方便之处，所以它的发展速度非常快，在人类 社会中已占据很重要的地位。在无线通信系统中，因为射频接收机位于整个系统 的第一级，因此整个系统的性能优劣与否很大程度上取决于接收机的性能。而低 噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r ，l n a ) 又是各种接收机的第一级，所以整个 接收机的性能优劣与否又取决于l n a 的性能。所以设计一个性能优良的低噪声放 大器就变的尤为重要了。本文通过对低噪放设计的理论分析，利用a d s 软件设计 出了平衡式低噪声放大器，其工作频率：2 3 g h z _ 2 6 g h z ，增益：3 5 0 5 d b ， 噪声 1 1 d b ，驻波小于1 3 。并加工成品，通过矢网和噪声仪对其进行了实际测 量，测量结果与仿真设计结果很相符。 本论文主要包括以下内容： 第一章讲述了无线通信的发展，介绍了研究一个性能优良的低噪声放大器的 意义，并介绍了低噪放的应用。 。 第二章阐述了二端口网络理论和放大器的一些基本指标，还介绍了设计低噪 声放大器的晶体管选取及拓扑结构的选取，并简要介绍了平衡式放大器的优点。 第三章和第四章利用a d s 对低噪声放大器的仿真设计并详细介绍了设计平 衡式放大器的过程，并对设计的低噪放加工成品，测试了其相关指标。 第五章对本文的工作进行了总结。 本文所设计的平衡式低噪声放大器在工作频段内性能优良，完全达到了所要 设计的产品指标。 关键字：平衡式、低噪声放大器、a d s 、s 波段 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的没计 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，晰t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，p e o p l e s s t a n d a r do fl i v i n g ，e n t e r t a i n m e n t ，s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a v eg r e a t l yi m p r o v e dt h u s m a k i n gt h e mp u r s u i t i n gf o rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c ha tah i g h e rl e v e l s u c h t r e n d ，o nt h eo n eh a n d ，h a sp r o m p t e dt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，o n t h eo t h e rh a n d ，i ta l s ob r o u g h tm a n yc o n v e n i e n tt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st h e r e f o r e ， i tm a k e st h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nv e r yf a s t ，w h i c hh a sd o m i n a t e dt h e s o c i e t y i nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b e c a u s er fr e c e i v ei st h ef i r s ts t a g eo f t h ew h o l e s y s t e m ，s ot h ew h o l es y s t e m sp e r f o r m a n c el a r g e l yd e p e n d so nt h er e c e i v e r w h a t sm o r e ，t h el o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) i st h ef i r s ts t a g eo ft h er e c e i v e r , s ot h e w h o l et h ep e r f o r m a n c eo ft h er e c e i v e rl a r g e l yd e p e n d so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e l n a s ot h ed e s i g no fal o wn o i s ea m p l i f i e ro fq u a l i t yi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i s p a p e rh a sa n a l y z e dt h et h e o r yo fl o wn o i s ea m p l i f i e rd e s i g n i n g b e s i d e s ，w ed e s i g n e d b a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e rb a s e do nt h ea d s t h ew o r k i n gf r e q u e n c yo ft h el n a i s2 3g h z - 2 6g h za n di t sg a i ni s3 5 + 0 5d b i na d d i t i o n , t h en o i s ei s 1 1d ba n d i t sv s w ri sl e s st h a n1 3 p r o c e s s i n gt h el n ai n t op r o d u c t sa n dm a k i n gs o m ea c t u a l m e a s u r e m e n t so nt h en o i s ea p p a r a t u sa n dv n a , w ef i n dt h a ts i m u l a t i o nd e s i g nr e s u l t s t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ec o n t e n ta sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e r , w ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ei m p o r t a n c eo faw e l l - p e r f o r m e dl n a a n dt h ea p p l i c a t i o no f u q a t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h et w o - p o r tn e t w o r kt h e o r ya n ds o m eb a s i c so f t h el n aa n ds o m eb a s i c so ft h ea n dw h e ni n t r o d u c e sa m p l i f i e rd e s i g nl o wn o i s ei t a l s oi n t r o d u c e sa m p l i f i e rt r a n s i s t o r ss e l e c t i o na n dt h es e l e c t i o no ft o p o l o g i c a l s t r u c t u r e ，a n di t sa d v a n t a g e sb r i e f l y t h et l l i r da n dt h ef o u r t hc h a p t e ru s ea d st od e s i g na n ds i m u l a t et h el o wn o i s e a m p l i f i e r , i ta l s oi n t r o d u c et h ep r o c e s so fd e s i g nb a l a n c e da m p l i f i e r ，p r o c e s s i n gt h e l t 摘要 l n ai n t op r o d u c t sa n dt e s t e di t sr e l e v a n ti n d e x t h ef i f t hc h a p t e rs u m m a r i z e dt h ew o r ko ft h i sp a p e r t h i sp a p e rd e s i g n e dab a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e r ，w h i c hi sw e l l p e r f o r m e di n w o r k b a n d ，a n dh a dr e a c h e dt ot h ed e s i g np r o d u c t si n d e x k e yw o r d ：b a l a n c e d ，l o wn o i s ea m p l i f i e r ，a d s ，sb a n d 第一章绪论 第一章绪论 在当今社会，无线通信的应用领域相当之广，在人们的生活中已占据很重要 的地位，在人们的生活中手机、无线电视等无线设备都已被很多人所使用，它带 来的方便和功能的多种多样使人类对其有很高的兴趣，也促使了它的发展。另一 方面也是因为无线通信带来了很多方便之处，所以它的发展速度非常快，在人类 社会中已占据很重要的地位。在无线通信系统中，因为射频接收机位于整个系统 的第一级，因此整个系统的性能优劣与否很大程度上取决于接收机的性能。而低 噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r ，l n a ) 又是各种接收机的第一级，所以整个 接收机的性能优劣与否又取决于l n a 的性能【1 1 。归根结底，低噪放的性能的优 劣与否影响着整个通信系统的性能，所以设计一个性能优良的低噪放对整个通信 系统有很大意义。本章中将对低噪放的发展和其研究意义做简要的陈述，然后对 国内外一些有关低噪放设计做了简要的回顾和总结，并介绍了低噪放的各种应 用，最后介绍本文将要设计的低噪放一些工作安排。 1 1 课题研究背景、发展现状及研究意义 当今社会的移动通信技术发展之迅速，使得人们的生活、娱乐、科技方面都 得到了很大的改善，所以人们也追求更高的通信技术。从上个世纪发展至今，移 动通信经过了第一代模拟蜂窝移动通信系统；第二代数字通信系统；第三代以高 速互联网业务和有线多媒体业务为目的的宽带通信系统，也就是人们所说的3 g ； 第四代以宽带接入和分布网络为特点的多功能集成宽带移动通信系统。移动通信 系统的迅速发展使得各种通信系统间的频率间隔很小，所以对其性能的要求也随 之提高了。接收机是通信系统中的重要部件，所以对于接收机的性能要求很高， 而接收机的性能优劣取决于它的第一级，即低噪声放大器的性能。因为它是接收 机的第一级，因此它的性能优劣对接收的性能有很大的影响，特别是对系统的噪 声和接收机的灵敏度影响最大【2 】。 微波放大器在微波设计领域中有着很大意义，它是有源电路中最重要的，应 用在很多各种各样的系统中；它是各种微波和毫米波系统的核心，它的指标成为 了人们考量一个系统优劣的重要因素；它的发展水平往往标志着整个微波电子线 路技术的进展水平。通过对国内外放大器的性能比较，国内的放大器设计水平远 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的设计 远落后于美国和一些欧洲发达国家，所以为了缩小这些差距，大力发展微波电路 的设计开发是势在必行的。 近年来，随着晶体管种类性能的不断提高和工艺技术的不断创新完善，微波 放大器也随之在不断的发展进步。从晶体管的问世以来，它以其体积小重量轻等 优点持续的被火热关注，在六十年代的中期，双极晶体管已经能够应用于微波频 段。随后，由于半导体材料种类不断提高和工艺技术的不断创新完善，场效应管 也被开始应用于微波频段。 低噪声的研究在过去的三十年里，由于工艺和材料的发展，它得到了很好的 发展。在上世纪8 0 年代，虽然当时低噪放的噪声性能已经做的很好了，但是由 于当时材料的限制和工艺技术的不完善，它的体积重量都相对比较较大，功耗也 较大，在卫星地面接收终端中的应用还不能够很好的满足。但是随着晶体管材料 种类的增多和工艺技术的不断发展发展，制造生产数很多各种新型的半导体材 料，这样对于在研究设计低噪放的过程中有了很好的促进。其中砷化镓场效应管、 高电子迁移率晶体管、和异质结双极晶体管都是性能优越的半导体器件。 近年来，一方面随着微波、毫米波技术的迅速发展，很多领域对放大器的需 求量和性能的要求都越来越高。由于低噪声放大器对接收的信号能够去除干扰信 号，并放大有用的信号，所以各个领域对低噪放的性能要求也越来越高。另一方 面，伴随着不断涌现出的很多新的半导体材料和新工艺技术的提高完善，还有各 种新功能射频模块的也越来越多，使得我们在对有源电路的研制周期越来越短， 研制的产品性能也越来越高，且各种模块的集成度的提高使得产品的体积也向着 小型化发展。这种小型化、性能优越且噪声性能优越的放大器是未来社会发展的 重要部分，因此，为了在未来社会中占据一定的地位，我们必须对半导体材料进 行更多的挖掘，同时要更加完善我们的工艺水平，这样在未来对有源电路的设计 中，才能缩短我们的研发周期，并研发出性能更加优良的放大器。目前各个国家 都把对新型材料的研究作为发展低噪放的重要方向之一【3 j 。 目前低噪声放大器的设计中采用微带线来实现各级电路的匹配，包括输入匹 配、输出匹配和级间匹配。我们可以根据仿真软件来计算微带电路的尺寸，现在 仿真软件有很多种，都可以很好的设计出匹配电路，本文将选用安捷伦公司的 a d s 仿真软件来实现匹配电路的设计。匹配电路的拓扑结构多种多样的，但是 2 第一章绪论 归根结底都是为了获得极低噪声和稳定的功率输出为目的。 低噪声放大器的稳定工作需要给它提供一个合适的直流偏置，现今社会中， 直流偏置的供电网络形式多种多样，有有源偏置和无源偏置，有源偏置能够提供 稳定的电压，无源偏置体积小，在不同的低噪放设计中我们会根据所要设计的产 品体积等一些指标来选择供电网络形式。 1 2 低噪声放大器的应用 近年来，由于无线通信的应用优势的强大，并且人们对无线通信的热爱使得 其发展速度非常之快，微波和射频技术在无线通信系统中的应用范围也变的越来 越广了。通信系统中的发射机和接收机对信号的处理都是通过很多部件共同完成 以获得我们所需要接收或发射的有用信号 4 1 。图1 1 给出了接收机的一般工作原 理图。 图1 1 接收机系统的原理图 由图1 1 可知低噪声放大器是接收机前端的重要组成部分，其主要作用是抑 制减小无用的干扰信号，并放大接收到的微弱有用信号。并且低噪放位置处于系 统的前级，所以接收机的噪声性能和灵敏度很大程度上取决于前级低噪放的性 能。低噪放最重要的指标是它的噪声系数，我们是通过提供一定的增益来抑制后 级电路的噪声，来获得良好的电路性能。设计一个性能优越的低噪放对于接收机 有着很重要的意义。 目前，低噪声微波放大器已在很多领域得到了广泛的应用。如在微波通信、 雷达、g p s 接收机、遥感遥控、电子对抗、大地测绘及各种高精度的微波测量系 统中。它是很多领域、很多系统中重要且必不可少的电路。 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的设计 放大器的划分标准有很多，如按照频率可划分为l 波段放大器、s 波段放大 器、k u 波段放大器等；按照噪声的大小划分，有低噪声放大器和普通放大器； 按照工作频带的宽度来划分，有宽带放大器和窄带放大器。还有其他很多划分的 标准，这里就不作一一介绍了。本文设计的放大器属于s 波段的窄带的平衡式低 噪声放大器。 1 3 本设计的主要内容 本文主要工作是研究设计一个应用于s 波段的波段的平衡式低噪声放大器， 主要对它的的理论设计及相关拓扑结构的选择作了较详细的研究，并对利用软件 a d s 设计的流程进行简单的描述。然后通过安捷伦公司的强大的功能仿真软件 a d s 设计出了符合性能指标的平衡式低噪放，文中将给出较详细的设计过程。 最后通过对实物进行测试比较分析。 首先是在绪论中对低噪声放大器的一些研究背景和国内外发展以及相关领 域的应用作了简要介绍，说明了研究设计一个性能更加优越的低噪放对于现今社 会发展的重大意义。在第二章里介绍了二端口网络理论，并通过s 参数理论对低 噪声放大器的一些重要的性能指标进行了介绍，还对现今一些晶体管的种类和优 缺点作了简单介绍，以作为本文选取合适的晶体管的参考。也对一些电路的拓扑 结构作了简要的分析，并选取了适合本设计的合适拓扑结构。最后结合需要设计 的低噪放的指标进行了最终的方案选取。第三章基于a d s 对低噪放进行了设计， 介绍了利用a d s 软件设计的主要步骤，并对设计过程中理论进行了简要的分析 描述，同时给出了仿真设计的较详细过程，最后成功设计出了符合指标的低噪放。 第四章对设计的产品进行加工生产，通过矢网和噪声仪对实物进行实际测试，并 给出了相关重要指标的实测图。并对实测的数据和仿真结果进行了简单的比较分 析。第五章对本文设计过程中遇到的困难进行了总结。 本文需要设计的低噪放的工作频率范围在2 3 g h z _ - 2 6 g h z ；增益为3 5 0 5 d b ；噪声系数小于1 1 d b ；输入输出电压驻波比小于1 3 。 4 第二章低噪声放大器的理论设计 第二章低噪声放大器的理论设计 2 1 二端口网络理论 在低频应用中，对于系统的测量我们经常采用一些终端短路、开路的测量方 法。但是对于射频系统来说，则可能行不通，因为如果我们采用导线来实现短路 情况，但是有时电感在高频下的电感量会非常大，所以不适合测量。此外，高频 的情况下，开路也会在终端形成负载电容，所以也不适合。并且，当我们在研究 电波传播的时候，此时的反射系数模若等于1 ，可能会造成器件因震荡而引起的 损坏。因此在高频的时候，我们想找到一种合适的测量方法，这里我们引入了s 参量，s 参量在射频电路中应用广泛，对于级联的放大器，我们也可以很轻松的 求得级联的网路s 参数。并且利用s 参数来研究二端口网络，可以表示网络的大 部分参数特性。 综上所述，s 参数所具有的优点是非常值得我们去研究的。下面我们将对s 参数进行简单介绍。 2 1 1s 参量的定义 s 参量是由各个端口的电压表示的。在图2 1 中，我们规定： 1 铲袁以- i - 砒 q 。d 1 轳赢叱_ z o q 。” a l 一l _ l 【s 1 图2 - 1 线性二端口网络 其中和吃分别是端口1 和端e l2 的归一化入射波和归一化反射波，z o 是传输 线特性阻抗。 一般情况下，n - 络n x n 口与输出端口的传输线特性阻抗可能会不同。这里 我们为了是分析简便，在初步的研究中，我们假定个端口的拥有一样的特性阻抗 值。 由( 2 1 ) 式，我们可以得到各个端口的电压和电流： 圪= 4 乏7 0 ( a 。+ )一 ( 2 - 2 a ) l = z o ( 一巩) ( 2 2 b ) 我们用( 2 1 ) 式表示功率，g n n n r n t n + 分n n ： 只二丢r 圪c ) ：丢( i 1 2 一l 玩1 2 ) ( 2 - 3 ) j a ( 2 2 ) 式中解出正向波和反向波，则可见： = 告= 厨 ( 2 4 a ) b n = 告= 一厄i ：( 2 4 b ) v 厶。 根据图2 1 中关于电压波方向的规定，就可以定义s 参量： 阱瞪驰) p 5 ， 其中s 参量的意义为： 耻* = 器麟 协6 ) 跏知= 器箍 协7 ， 口l l 坷而u 习_ 议 耻舢= 恭 协8 ， 耻知= 恭 协9 ， 由上面的式子可知，s 参数的测量都是在输入端口和输出端口已经匹配的时 候来测得的。即式中的条件a ，= 0 和q = 0 。 6 第二章低噪声放大器的理论设计 2 1 2s 参量的物理意义 上一节我们说到，只有在输入端口和输出端口匹配时才能测得s 参量，下面 我们根据图2 2 来介绍如何测量s 。和。 v g j s z 0 l 。1 b 1 b 2 图2 2s l 和是l 的测试系统 z l 在图2 2 中采用适当的负载阻抗乙= z 0 ，使2 端口负载与传输线特性阻抗z 0 匹配，从而测量s ，和是。采用这种测试系统，根据反射系数的定义，我们可以得 到s ： 耻r j ，= 穗 ( 2 - 1 0 ) 此外，系统的回波损耗为： 肚= - 2 0 1 0 9 l s 。l i ( 2 - 1 1 ) 然后，使输出端口达到匹配，我们可得： 岛，=鲁1吨。=燕ie。曙：。 c 2 - 2 ， 用信号源电压与信号源内阻z o 上的电压降之差圪。一z 0 替代k 可得： s u = 2 萨- 卺 ( 2 - 1 3 ) 由( 2 1 3 ) 式知，8 2 1 是仅由输出端口的电压和系统的源电压表示，所以s ：。同样被 用来表示网络正向电压增益。同样，系统的正向功率增益可以由s ：。平方表示， 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的设计 ( 2 - 1 4 ) 同理可知，若要测量散射参量s ：和s 。：，我们只需要在输出端口加信源并也是输 入端口达到匹配状态，这样我们就可以测得： 是z = r = i u t - 瓦z o ( 2 - 1 5 ) s：2鲁l。：。2(i2+。jz!io：i123)睦(2厄o)i譬；听+；。 ( 2 一l6 ) 用信号源电压：与信号源内阻z o 上的电压降之差：一z 0 厶替代巧可得： s 1 2 = 瓦2 v , - = 老 上式表示的就是反向电压增益。将( 2 1 3 ) 式平方可得反向功率增益。 2 2 低噪声放大器的技术指标 2 2 1 稳定性 稳定性是指放大器中一些非线性器件的偏置和交流参数等发生了变化的时 候，其系统的稳定程度。一般不稳定时会出现增益、通频带的一些变化。稳定性 是放大器正常工作的前提条件，所以在设计放大器之前一定要对其稳定性进行分 析并改善。最好是能够在整个频段内稳定工作，因为射频电路在某些工作频率和 终端条件下有产生振荡的倾 f i - 5 6 1 1 7 1 。 一般放大器的稳定性有两种情况：一类是有潜在不稳定或有条件稳定放大 器，此时，源阻抗和负载阻抗就不能随意取值，为了保证放大器能正常的工作， 需对其取值进行一定的限制或者是对其稳定性进行改善使其能够在整个频带内 稳定工作。另一类称为绝对稳定或无条件稳定，此种情况下，不论源阻抗和负载 阻抗为任何值，放大器都能稳定地工作。 下面我们通过二端口网络来讨论电路的稳定性，该网络由s 参量、负载反射 系数l 和源反射系数b 确定，因为反射系数反应的是一个端口的反射电压与入 射电压之比，当反射系数大于1 时，是由正反馈引起的，由震荡理论可知会引起 8 第二章低噪声放大器的理论设计 震荡。所以当反射系数的模小于l 时系统稳定【8 】【9 】【l o 】。即： n i 1 ，k l 1 i f , n = i 湍l 标准二：两参数判断准则( k a 参数) k 1 l i 1 且 0 ( 2 2 1 a ) ( 2 2 l b ) ( 2 2 1 e ) ( 2 2 2 a ) ( 2 - 2 2 b ) ( 2 - 2 3 a ) ( 2 2 3 ” 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的设计 其中=s。是：一s：岛。，k=三土掣，且=1+ls，12一l曼：12一i12，三 个标准是等价的。如若以上三个标准都不满足则说明这个网络是不稳定的状态， 在这种状态下可能会产生自激振荡，所以此时需要对稳定性进行改善。通常我设 计低噪放时为了获得更高的增益而采用共轭匹配法设计，但是对于有条件稳定的 晶体管来说，因为共轭点是自激振荡点，所以在设计之前必须对稳定性进行改善， 否则不能采用共轭匹配的设计方法。并且共轭点的附近区域也存在不稳定性，所 以在没有改善稳定性的前提下设计低噪放时，放大器的工作点必然远离共轭点， 因此放大器的输入驻波肯定不好，所以改善电路的稳定性对于设计低噪放来说就 变的尤为重要了。 我们通常对器件采用如下两种方法来改善其稳定性： 第一种方法可以在电路中加电阻来减小s 1 2 带来的正反馈，以此来改善管子 的稳定性。但是我们知道引入电阻会带来热噪声，这是我们所不希望的，这会影 响整个系统的噪声性能，因此一般我们只在输出端采用，在输入端不采用这种方 法。但是加在输出端虽然可行，但是其仍然会降低低噪声放大器的增益。所以一 般不采用这种方法。 第二种可以在电路中引入负反馈，主要有在源极串联电感和在栅极和漏极之 间加入反馈网络等类型。引入负反馈后，减少了s 1 2 形成的正反馈，所以降低了 电路的输入和输出反射系数使其小于1 ，此时可以达到绝对稳定。在实际电路中， 我们一般采用微带线来实现负反馈，其成本低且调试方便。 2 2 2 增益 放大电路的增益是在设计放大电路时的另一个重要的参数。而在微波放大电 路中，我们可以根据s 参量以及r s 和f l 推到出描述放大电路功率增益的三种类 型表达式【1 3 】【1 4 1 。 对三种功率增益的定义如下： 转换功率增益： q = 等 ( 2 2 4 ) 1 0 第二章低噪声放大器的理论设计 功率增益： 资用功率增益： 。p ? u = 三 己 q = q i l ； 图2 3 微波放大电路功率计算的参考信号流图 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： 转换功率增益q 为： 或者为 功率增益： 资用功率增益： ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) q ：掣趔鳓( 2 - 2 7 ) 1 1 1 - f s f 加1 2 i l 一l 1 2 q=器1-f嬲f f 亿2 8 ， 。 il 叫1 2 1 1 一s 。s 1 2 、 g ：? 娄魁( 2 - 2 9 ) 。( 1 一刚2 ) i l s 2 ：f 工1 2 g = 希群岛 p 3 。， 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的设计 其中( 2 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) 由上面的公式可以发现到，只要我们在明确了网络的s 参数，源反射系数和 负载反射系数，匹配网络的反射系数。我们就能够通过以上公式完成放大电路的 三种功率增益的计算，就可以计算得到放大电路的功率增益。 对于放大器增益恒定的设计一般有以下两种方法： ( 1 ) 单向化设计法： 单项化设计就是忽略了微波晶体管的反向电压传输系数s ，这样晶体管就 具有单向信号传输的特性。对于具有单向传输特性的晶体管，我们根据式( 2 2 7 ) 可得单向化功率增益： = 岛i s 2 1 1 2x 禹却g 0 q ( 2 - 3 3 ) 其中g 和g 工是输入、输出匹配网络的功率增益，g o 是晶体管的功率增益。由( 2 - 3 3 ) 式可知，匹配电路的增益有可能大于1 ，但是匹配网络是无源的，是没有增益的， 这里我们可以把输入、输出匹配电路的增益看成是由于引入匹配电路而减少了失 配情况下的功率损失。 由于实际微波晶体管的反向电压传输系数s ，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。 拈黜- i s , - i s , ( 2 - 3 4 ) ( 1 l 陬12 i ) ( 2 ) 双共轭匹配设计法： 因为单向化设计时忽略了晶体管自身的反馈效应有可能会致使结果出现无 法接受的误差，所以在很多情况下，我们并不采用单向化的设计方法。我们采取 另外一种不忽略晶体管自身效应的匹配方法，即双共轭匹配法。采用这种方法设 计，由式( 2 2 7 ) 知，此时为了是系统获得最大传输功率增益，要使源反射系数 f s = 晶和负载反射系数l = 。其中l 和r 叫如式( 2 - 3 1 ) 和式( 2 3 2 ) 所示，分 1 2 吼一帆 槲一w黼慌 一 是 s i i = 喇 m【_ l r 第_ 二章低噪声放人器的理论设计 别为放大电路输入端口和输出端口的电压反射系数。 通过对0 = r 二，f = r ：w 的求解可以得到f s 和r 其中： 局= 1 一i s ：1 2 一i 1 2 + 刚2 垦= 1 一i s , 。1 2 一i a l 2 + 刚2 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 - 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) 2 2 3 噪声 噪声是一种随机变量，来源于系统中的各个元器件。噪声在低噪放的设计中 是最重要的参数之一，所以下面我们对噪声的来源和分类进行简单的介绍。主要 是由于电阻内电子的热运动和晶体管中带点粒子的不规则运动而产生的。对于噪 声，我们在某一时刻是无法确定噪声的大小的，但是我可以根据统计来知道噪声 的大小【1 5 】。 在设计放大电路的时候，在对噪声分析中，我们一般会采用计算噪声系数的 大小来说明电路的噪声特性优劣。噪声系数n f 定义为：放大电路输入端信噪比 与输出端的信噪比比值。 在二端口网络的分析中，其噪声系数与信号源的阻抗有关，其表达式如下： n f = 崛+ 叁睁k 1 2 ( 2 4 1 ) 式中乓= g + 归s 是信号源导纳，在信源导纳等于最佳信源导纳k 时，此 时，我们可以获得最小噪声系数。r 为线性二端口网络的等效噪声电阻，它表 明网络的噪声系数对信号源导纳变化的敏感程度。因为本文设计低噪声放大器是 1 3 一2 1 2 一 一 旦玛 旦码 l | = ，埘 胞 = = s l 、 l 。 k 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的设计 基于s 参数的，所以我们用反射系数来改写上式，可得： 一+ 等楠 p 4 2 ， 在低噪声放大电路的设计中，我们为了获得噪声低的性能指标，通常要牺牲 系统的功率增益和驻波比，由式( 2 4 2 ) 可知获得最小噪声的条件是源阻抗等于 最小噪声源阻抗，这个条件与获得最大增益的条件不一样，所以我们需要在噪声 系数和功率增益之间取折衷的方案【1 6 】【1 7 】【1 8 】。 噪声在实际电路中是极其有害的，会影响我们获取有用的信号。对于接收系 统，接收到的信号中总是由有用信号和噪声的混合而成，所以需要对有用信号进 行放大，并对噪声进行抑制，如果不能成功抑制噪声而噪声过大时会影响对有用 信号的正确检测。所以抑制噪声对电路的干扰是非常重要的。当输入信号d , n 与 噪声相当的时候，有用信号有可能因完全被噪声所淹盖而得不到，所以为了获得 有用信号，要求输入信号不能太小。另外，为了避免电路进去饱和区域或者是截 止状态，其电路的增益不能过高。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 4 1 。由于 噪声在电路设计出来就已经存在于内部了，采用屏蔽的方法只能减少外来噪声对 系统的干扰，内部的噪声我们可以通过从电路设计上分析这些噪声的特性及其在 电路中的规律，并合理的选取元件和相关的拓扑结构等一些方法上控制噪声，降 低噪声，提高电子系统的效率n 9 1 。 一般来说，在电路中主要存在着以下几种类型的噪声： ( 1 ) 热噪声 热噪声又称白噪声，是在电阻一类导体中，是由导体中的自由电 子布朗运动引起的噪声，导体中的每一个自由电子由于其热能而运动。电 子运动的途径，由于和其他粒子碰撞，是随机的和曲折的，即呈现布朗运 动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的方向是随机的， 因而平均值为零。然而，电子的这种随机运动还会产生一个交流电流成分。 这个交流成分称为热噪声。它存在于任何工作在绝对零度以上的电路或系 统中。这种噪声可以看成是无数独立的微小电流脉冲的叠加，根据概率论 的极限中心定理，它们是服从于高斯正态分布的高斯过程。它们的功率谱 1 4 第二章低噪声放大器的理论设计 密度在整个频率范围内都是均匀分布的，即白噪声。所以常把热噪声称为 高斯噪声( g a u s s i a nn o i s e ) 或白噪声( w h i t en o i s e ) 。 虽然我们在某一时刻无法确定噪声的大小，但是我们可以通过统计的方法来 获得噪声的大小。 电阻的热噪声功率如下式： 昂= k t b ( 2 4 3 ) 式中k 是波尔兹曼常数，可以发现，电阻的热噪声功率与电阻的本身大小没 有关系，只与系统的带宽b = 厶一无和绝对温度t 有关。 ( 2 ) 散粒噪声 散粒效应噪声是s c h o t t k y 于1 9 1 8 年研究此类噪声时，用子弹射入靶子时 所产生的噪声命名的。因此，它又称为散弹噪声或颗粒噪声。散粒噪声是由单 位时间内通过p n 结的载流子数目随机起伏造成的。所以在线性电阻中是不存在 散粒噪声的，而一般器件不仅要有电流通过而且要有载流子能越过的势垒才会产 生散粒噪声，散粒噪声是由形成电流的载流子的分散性造成的，在大多数半 导体器件中，它是主要的噪声来源。在低频和中频下，散粒噪声与频率无 关( 白噪声) ，高频时，散粒噪声谱变得与频率有关2 0 】【2 1 1 。 ( 3 ) 闪烁噪声 这种噪声的机理有很多种可能，闪烁噪声又称l l f 噪声，它与晶体的表面和 缺陷有关1 4 1 。存在于一些离散无源器件中，这种噪声的产生是由于晶体的表面 能态的载流子引起陷阱的产生和消失。闪烁噪声的特点是频谱一般集中在低频 段，其功率谱密度随频率的升高而降低，所以在高频的时候这种噪声影响很小， 往往只在低频时影响会很大。若器件工作在射频和微波频段内，那么闪烁噪声就 更较低，一般可以忽略不计。 ( 4 ) 爆米花噪声 这种噪声的机理目前还不是很清楚，爆米花噪声对杂质十分敏感，掺金的双 极性晶体管中爆米花噪声比较大。这种噪声通常存在于点接触二极管中、结型和 隧道二极管中、和集成电路结型晶体管中圈。它的特点是多峰，幅值非高斯分 布，变化的间隔往往在音频范围内。 1 5 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的没计 2 2 4 驻波和增益平坦度 系统的输入和输出驻波比可以用来表示信号在个端口的反射情况，下面我们 将低噪放看作是一个标准的二端口网络，利用反射系数来表示驻波比，得： 坯呱= 制 ( 2 4 4 ) v s w r o 埘= 制 ( 2 4 5 ) 输入输出驻波比需要满足一定的指标要求，在前面设计时为了满足低噪声的 性能会使驻波变差，我们通常是采用在输入和输出端加隔离器或者是采用平衡式 电路来改善驻波特性。因为如果其值过大的话不仅会损坏与低噪声放大器级联的 相关器件【2 3 1 ，还会使系统的增益起伏变大和群迟延变坏，一般在设计大容量数 字通信系统中的低噪声放大器时，我们要求其输入输出驻波比小于1 2 ： 1 2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 1 o 增益平坦度是指系统的增益在工作频段内的起伏，一般用系统带内的最高增 益与最小增益之差表示，即i g 1 g 二一吒。对于在设计低噪声放大电路时， 要求增益在全频带范围内变化要很小，不能够出现剧变的情况。 2 3l n a 电路设计方案的选取 本文设计的低噪放主要考虑以下几个性能指标：工作频带、增益、噪声、驻 波比等一些参数。根据这些指标下面将介绍一些电路设计的各种结构的比较及选 取，还有晶体管的比较和选取等。 2 3 1 单级放大电路拓扑结构的选取 根据相关文献，目前国内外设计低噪放的单级电路拓扑结构主要有以下四 种：输入端并联电阻的共源放大器、共栅放大器、串并联反馈放大器、源极串联 电感负反馈放大器f 2 7 】【2 3 】。下面对四种拓扑结构进行分析比较，然后结合本文需 要设计的低噪放的指标、体积和成本需求，选取最适合的拓扑结构。 ( 1 ) 输入端并联电阻的共源放大器电路结构图如下： 1 6 第二章低噪声放大器的理论设计 图2 4 输入端并联电阻共源放大器结构 前面提到这种结构可以改善管子的稳定性，但是会引入热噪声。图中输入阻 抗的匹配是通过在输入端并联一个电阻彤到地来实现，忽略m o s 管勺对电路 的影响，则图2 4 电路的输入阻抗可表示为： 乙= 刚巧1 ( 2 - 4 6 ) 设计电路时为了实现阻抗匹配，令r 口= 冠，使得乙可以近似为5 0 q 。 则电压增益可表示为： 4 = 一三雹再专i ( 2 - 4 7 ) 这种电路的拓扑结构比较简单，在输入端引入电阻，增加了系统的功耗和噪 声，且信号损失了一半。所以并不能算的上是理想的拓扑结构，但是因其结构简 单，在一些对性能要求不高的低频电路的设计中可以使用。 ( 2 ) 共栅放大器电路结构图如下： 1 7 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的设计 魄 v d | ) 图2 5 共栅放大器结构图 基本的共栅结构具有一定的输入阻抗1 g m ，在这种拓扑结构的设计时要选 择一定的偏置电阻来提供合适的直流工作并选择合适的器件尺寸，这样我们就可 以实现与前级输入阻抗匹配的要求。 可以推导出其电流增益为1 ，功率增益为： q 2 景( 2 - 4 8 ) 这种拓扑结构同样比较简单，但是缺点是在高频时由于增加了各种寄生效 应，会使系统的噪声变差，并且m o s 管源极接偏置阻抗也会引入额外的噪声。 但是在一些对性能要求不高的电路中可以应用。 ( 3 ) 串并联反馈电路结构如下图： 1 8 第二章低噪声放大器的理论设计 图2 6 并联一串联反馈放大器 这种拓扑结构可以通过调节输入输出阻抗以达到阻抗匹配，在进行电路设计 时，可以令咫= j j c ，并且选取合适的阻值，可以同时满足输入和输出阻抗匹配。 但是此种反馈结构增加了电阻r f 和r f ，我们知道，电阻会带来更多的热噪声， 所以在设计一个对噪声性能要求高的低噪放时，这种结构的是不合适的。 这种拓扑结构的优点是仅使用一些简单的电阻就能够实现电路的匹配，其工 作频带较宽，并且提高了线性度范围，缺点是电阻的引入使其噪声性能略差，但 是对于设计一些对噪声要求不高的系统时，此种拓扑结构还是有很好的选择。 ( 4 ) 电感源极负反馈放大器电路结构图如下： 图2 7 电感源极负反馈的共源放大器电路 电感源极负反馈放大器作为一种具有选频功能的窄带放大器，可以通过调节 源极串联的电感大小，就可以达到很好的匹配。这种拓扑结构具有噪声性能优越 和功耗较低的优点，所以在实际的射频电路设计中被使用很多。 1 9 基于a d s 的s 波段低噪声放大器的设计 这种匹配设计的好处在于利用源极的电感和管子的栅极和源极之间的等效 电容来实现与输入端的阻抗匹配，而不像串并联反馈放大器，这里没有加入实际 电阻，因此就没有额外的热噪矽2 9 】【3 0 】【3 l 】。 由上面对四种拓扑结构的分析比较，针对本文要设计的是一个窄带低噪放， 单级放大器的拓扑结构选择电感源极负反馈放大器是最理想的结构。 2 3 2 整体电路的拓扑结构选取 就整体电路的拓扑结构来说，一般分为平衡式和非平衡式。非平衡式电路结 构简单，但是一旦发生故障就不能使用了。本文选用了前者，即平衡式结构，下 面我们将对平衡式的电路进行简单的分析介绍，并给出本文选用这种拓扑结构的 理由。 图2 8 平衡式放大电路的拓扑结构 图2 8 所示为简单的单级平衡式的放大电路，由图可知其输入端和输出端都 采用了3 d b 的9 0 度耦合器，信号进入耦合器被平分成两路进行放大，相位相差 9 0 度，在输出端再进行耦合同向输出。在设计的平衡式拓扑结构的过程中一定 保证上下两路放大电路的基本一致，包括管子的特性、偏置电路、匹配电路等特 性要基本一致。只有这样，平衡放大器的输入和输出驻波才会非常好。平衡式放 大器的优点有： a 若耦合器是无耗的，则平衡式放大器的增益和单路放大器增益一样，还可以 获得平坦度很好的增益特性，并能获得良好的噪声系数。平衡式的低噪声放大器 的输入输出v s w r 取决于耦合器，驻波比好是平衡放大器最好的优点。 第一二章低噪声放大器的理论设计 b 具有较高的稳定度，放大器的不稳定性是由于信源或负载的反射引起的自激 振荡。但在平衡放大器中，由于输入的隔离端口( 图中a 4 ) 和输出的隔离端口( 图 中b 2 ) 能够吸收反射信号，所以尽管单只微波晶体管本身具有潜在不稳定性，但 只要两路匹配一致，平衡放大器就是绝对稳定的。 c 如果一个管子失效或某一路出现故障，放大器仍然能够继续工作，只是它的 增益会比正常工作时减d x 6 d b ，但是此时的增益依然能够满足一些情况下的要 求。 d 容易实现级联，因为每一级和下一级通过3 d b 定向耦合器隔离。 平衡式拓扑结构也存在着一些缺点，平衡式采用了相同的两路放大，所以器 件会比单路的要多出一倍，产品的成本自然也就随之提高了；产品的体积也会变 大。如果此时采用有源网络提供偏置，体积和价格还会更高。调试过程中对电路 进行改变时要尽量保证上下两路的匹配基本一致，所以给调试工作也带来不便。 由于输入端用了3 d b 耦合器，所以系统的噪声会增加。但是这些缺点并不能掩盖 平衡式放大器的那么多优点。并且随着产品工艺水平的提高，我们能够使平衡式 电路的结构相对减小，所以结合上述介绍，本文将选用平衡式拓扑结构来设计低 噪声放大器。