低噪放的设计

1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259 6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10
在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆
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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。
低噪声放大器设计的依据与步骤 16
依据： 1. 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. 1. 2. 3. 4. 5. 输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50 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 步骤：
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放大器技术指标— 放大器技术指标—端口驻波比和反射损耗
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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。
在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆
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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ΓS和最佳反
射系数Γopt（噪声系数最小时的反射系数）相等时， 放大器噪声将增大。由于ΓS是复数，不同的ΓS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。
放大器技术指标— 放大器技术指标—增益平坦度
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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。
放大器技术指标— 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。
输入匹配电路模块
P3 Z0
输入 匹配 电路
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输出匹配电路模块
P1 a1 b1 微波 器 件 b2 [S] Zs Zin Γ sΓ 1 Zout ZL Γ 2Γ L P2 a2
输出 匹配 电路
P4
Z0
低噪声放大器一般不止一级，还有级间匹配电路模块。
输入匹配电路——要求 输入匹配电路——要求
要求：Zout = Zopt Γout = Γopt
P2 G= P1
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。
功率增益与噪声系数
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功率增益的大小还会影响整机噪声系数，下面给出简化的多级 放大器噪声系数表达式：
N f = N f1 +
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输入匹配电路——结构类型 输入匹配电路——结构类型
并联导纳型匹配电路
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阻抗变换型匹配电路
微带电路拓扑结构的选择原则
的阻抗变换器类， （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。
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（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
（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，宜用电容性微带单元。 （4）微波晶体管输入总阻抗为低阻抗时，即s11处在史密斯圆图第2、3象限， 微带变换器应采用高特性阻抗的微带线；反之，s11处在史密斯圆图第 1、4象限时，为高输入阻抗，微带变换器宜采用低特性阻抗微带线。
在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 1、增益与负载有关，输入输出匹配时输出最大
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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ΓS = Γ1*，ΓL = Γ2*）就可使器件的 传输增益最高。
suficient1 = 1 S11 S12 S 21
2
suficient 2 = 1 S 22 S12 S 21
2
necessary =
1 S11 S 22 + S11 S 22 S12 S 21
2 2
2
2 S12 S 21
放大器在гS 输入平面上绝对稳定的充分必要条件为
suficient1 > 0 necessary > 1
式中，NF 为微波部件的噪声系数； Sin，Nin 分别为输入端的信号功率和噪声功率； Sout，Nout 分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器 产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。 通常，噪声系数用分贝数表示，此时
NF ( dB ) = 10 lg( NF )
输入匹配电路——电路拓朴结构选择原则 输入匹配电路——电路拓朴结构选择原则
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根据上述原则，不同输入阻 抗（即不同的s11情况），微 波管的适宜电路可归纳如图 6-8所示。图中微带线宽度表 示了微带线特性阻抗的高或 低，线越宽表示特性阻抗越 低。这里所指高特性阻抗是 图6-8 具有不同s11的微波晶体 指高于50而言，反之是指 管适宜的匹配电路结构 低于50。 以上介绍了微带匹配电路的多种基本单元。应该注意的是，实 际放大器都有一定的工作频带，不同频率时微波管有不同的输 入阻抗（即s11 ）。从理论上讲，一个频率点上，复数阻抗可以 匹配到实数信源阻抗，而整个频带内多个频率点的复数阻抗不 可能都匹配到实数信源阻抗。因此，上述各种匹配电路形式往 往是综合运用的。
放大器技术指标— 放大器技术指标—噪声系数与噪声温度
Te = T0 ( NF 1)
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放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度 T e 来表达。噪声温度 T e 与噪声系数 NF 的 关系是 式中，T 0 为环境温度，通常取为 293K。 根据公式（6-3） ，可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪声温度，如表 6-1 所示。 表 6-1 噪声系数和噪声温度关系 NF(dB) NF T e(K) NF(dB) NF T e(K) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00 120.9 171.3 228.1 291.6 362.9 442.9 532.8 633.5 873.5 2637
放大器技术指标— 放大器技术指标—功率增益
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微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、 共扼增益、单向化增益等。 对于实际的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和负载都是 50Ω标准阻抗情况下实测的增益。 实际测量时，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
放大器在гL 输入平面上绝对稳定的充分必要条件为
suficient 2 > 0 necessary > 1
带有输入、输出匹配电路放大器的一般表示
P3 Z0
输入 匹配 电路
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P1 a1 微波 b1 器 件 b2 [S] Zs Zin Γ sΓ 1
P2 a2
输出 匹配 电路
P4
Z0
Zout ZL Γ 2Γ L
放大器的稳定性
当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于 1（即

Γ1 < 1, Γ2 < 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：
N f 2 1 G1
+
N f 3 1 G1G2
+ ...
其中： N f －放大器整机噪声系数；
N f 1，N f 2，N f 3 －分别为第 1，2，3 级的噪声系数；
G1，G2 －分别为第 1，2 级功率增益。从上面的讨论可以知道，
当前级增益 G1 和 G2 足够大的时候，整机的噪声系数接近第一级的 噪声系数。因此多级放大器第一级噪音系数大小起决定作用。作为 成品微波低噪音放大器的功率增益，一般是 20－50dB 范围。
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放大器技术指标— 放大器技术指标—动态范围
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动态范围是指低噪音放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范 围。动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数 Nf 给定时，输 入信号功率允许最小值是：
Pmin = N f ( kT0 f m ) M
其中： f m －微波系统的通频带(例如中频放大器通频带)； M－ 微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数； T0－ 环境温度，293K。 由公式可知，动态范围下限基本上取决于放大器噪声系数，但是也和整 个系统的状态和要求有关。例如，电视机信号微波中继每信道频带 f m ＝ 40MHz，信号噪音比 M＝10，放大器噪声系数 Nf=1.2(0.8dB)动态范围下限 是 Pmin = 7.23 × 10 mW = 81dB 。 动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放 大器非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。
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
b1 S11 b = S 2 21 S12 a1 a S22 2
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。
第六讲 低噪声放大器设计
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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。
放大器技术指标— 放大器技术指标—噪声系数与噪声温度
放大器的噪声系数 NF 可定义如下
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S in / N in NF = S out / N out
P3 Z0
输入 匹配 电路
P1 a1 微波 b1 器 件 b2 [S] Zs Zin Γ sΓ 1
P2 a2
输出 匹配 电路
P4
Z0
Zout ZL Γ 2Γ L
在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆
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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Γ out 表示。当改变输入匹配电路使 呈现 ΓS = Γout 此时，放大器具有最小噪声系数Nfmin，称为最佳噪声匹配状态。
电路设计原则
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1. 在优先满足噪声小的前提下，提高电路增益， 即根据输入等增益圆、等噪声圆，选取合适 的ΓS ，作为输入匹配电路设计依据。 2. 输出匹配电路设计以提高放大器增益为主，
Γout = Z0 （ ΓL = Γ2*）
3. 满足稳定性条件 4. 结构工艺上易实现
电路设计——基本电路模块 电路设计——基本电路模块