低噪声功率放大器设计

微波电子线路大作业

——低噪声功率放大器设计

班级：021013班

学号：02011268

姓名：

低噪声放大器的设计

一、设计要求：

已知GaAs FET 在4 GHz 、50 Ω系统中的S 参数和噪声参量为

S11=∠－60°，S21=∠81°，

S12=∠26°，S22=∠－60°

Fmin= dB Γout=∠100°RN=20 Ω

设计一个低噪声放大器，要求噪声系数为2 dB ，并计算相应的最大增益。 若按单向化进行设计，则计算GT 的最大误差。

二、低噪声放大器设计原理及思路

低噪声放大器功能概述

低噪声放大器是射频／微波系统的一种必不可少的部件，它紧接接收机天线，放大天线从空中接收到的微弱信号。低噪声放大器在对微弱信号放大的同时还会产生附加于扰信号，因此它的设计目标是低噪声，足够的增益，线性动态范围宽。低噪声放大器影响整机的噪声系数和互调特性，分析如下 （1） 系统接收灵敏度： （2） 多个级连网络的总噪声系数

放大器工作组态分类

A 类放大器（导通角360度，最大理论效率50%）用于小信号、低噪声，通常是接收机前端放大器或功率放大器的前级放大。

B 类（导通角180度，最大理论效率%）和

C 类（导通角小于180度，最大理论效率大于% ）放大器电源效率高，愉出信号谐波成分高，需要有外部混合电路或滤波电路．由B 类和C 类放大器还可派生出

D 类、

E 类、P 类等放大器。

min

114(dBm/Hz)NF 10log BW(MHz)/(dB)

S S N =-+++321112

121

11

n tot A A A A A An

F F F F F

G G G G G G ---=+++

+

放大器常用元器件

①两端负阻的二极管器件

变容二极管：参量放大

隧道二极管：隧道效应

耿氏二极管：转移电子

碰撞雪崩渡越时间二极管：雪崩渡越时间

特点：应用于放大器电路的早期器件，制造比较容易、便宜，但是两端口器件

实现增益的相关电路价格确比较昂贵，且稳定性较差，调试工作困难。

②三端的晶体管器件

双极晶体管（BJT）

金属半导体场效应管（MESFET）

拟晶态高电子迁移率晶体管（PHEMT）

异质结晶体管（HBT）

放大器的技术参数

（1）频率范围：放大器的工作频率范围是选择器件和电路拓扑设计的前提。（2）增益：它是放大器的基本指标。按照增益可确定放大器的级数和器件类型。

实际功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比，

与源阻抗无关，与负载阻抗有关 ;

资用功率增益：二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比，

源端和负载端均共扼匹配，与源阻抗有关，与负载阻抗无关。它

表示放大器增益的最大潜力;

转换功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端的资用功率之

比，与两端阻抗都有关。

实际增益测量时，常用插入法，即用功率计先测信号源能给出的功率P1；再把放大器接到信源上，用同一功率计测放大器输出功率P2，功率增益就是

低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益G 要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低2－4dB 。 （3） 噪声系数

放大器的噪声系数是输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值，表示信号经过放大器后信号质量的变坏程度。级联网络中，越靠前端的元件对整个噪声系数的影响越大，在接收前端：必须做低噪声设计。放大器的设计要远离不稳定区。噪声的好坏主要取决于器件和电路设计。 （4）动态范围

放大器的线性工作范围。最小输入功率为接收灵敏度，最大输入功率是引起1dB 压缩的功率。放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度Te 来表达。噪声温度Te 与噪声系数F 的关系是 。式中T0为环境

温度，通常取为293K 。根据公式，可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪

声温度。 （5）非线性特性

常用三阶交调截点P3rd 来表征放大器电路的非线性特性，三阶交调截点的典型值比P1dB 高10dB 。 （6）稳定性

放大器电路的首要条件之一是其在工作频段内的严格稳定性，这一点对微波射频电路是非常重要的，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向。

当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1时，不管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定；当输入端或输出端的反射系数的模大于1时，网络是不稳定的，称为条件稳定。

对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围，否则放大器不能稳定工作。

定义：

1

2P P G =

0(1)e T T F =⋅-21

1211112

S S S suficient ⋅--=21

1222122

S S S suficient ⋅--=21

12221

122211221112

2

2

S S S S S S S S necessary ⋅⋅-⋅+--=

放大器在гS 输入平面上绝对稳定的充分必要条件为

放大器在гL 输入平面上绝对稳定的充分必要条件为

低噪声放大器特性分析

1、增益与负载有关，输入输出匹配时输出增益最大

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Z in 和输出阻抗Z out 都转换到标准系统阻抗Z 0，即Z in = Z 0， Z out = Z 0（或S = 1*，L = 2*）就可使器件的传输增益最高。

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MES FET （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P 1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P 1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Fmin ，称为最佳噪声匹配状态。

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。

输入匹配电路

输出匹配电路

微波

器件[S]

P3P1P2P4

a1a2

b1

b20

Z 0

Γ1

Γs L

Z in Z out Zs Z L 1

1>>necessary suficient 1

02>>necessary suficient