微波低噪声放大器课程设计

低噪声放大器

1.目标

(1)了解低噪声放大器的理论和工作原理. (2)了解低噪声放大器的设计流程.

(3)通过实验了解低噪声放大器的特性.

2.基础理论

我们已经在第三章讲述了射频放大器的工作原理和设计流程。以第三章射频放大器的原理为基础，本章我们介绍讲放大器噪声降至最小的低噪声放大器的原理和设计方法。在第三章讲述过的稳定性和增益的基础上，噪声系数成为超高频设计中一个重要的因素。特别的，可能的情况下，接收机应该有一个低噪预放大器。这是因为接收机的第一级噪声会严重影响整个系统的通信质量。但是，要实现一个同时拥有最小噪声系数和最大增益的放大器是不可能的。上述两个因素相互联系，所以我们采用一个折中的办法：在噪声系数和增益之间选取一个固定的增益圆周和一个固定的噪声系数。下面将介绍固定噪声系数的相关公式以及如何利用这些公式来设计晶体管放大器。

2.1固定增益圆周及特定增益设计方法

为了增加带宽或者得到一个特定的增益，通常将放大器增益设计为小于其最大允许增益。设计者可以通过设计输入/输出匹配电路来获取上述小于最大增益的增益量。设计者可以简单的在史密斯图中按照

S Γ和L Γ画一个固定的圆周从而获得固定的增益（S G 和L G ）

。

固定增益圆周同样可以被用来为低噪声放大器选则特定的增益和噪声因数。为了使大家容易理解，我们将讲述单向器件的固定增益圆周画法。

在很多情况下，11

S 很小而可以被忽略，并且在这种情况下，我们假设设备具有单向行。

假设11

S 趋近于0，增益的转换偏差可以被表示为：

/T TU G G 。可以看出这个比率的范围是：

其中，单向因子U 可以表示为：

通常，如果偏差在1dB 到几十dB 之间可以认为具有单向性。

对于单向器件，S G 和L G 为：

当*11S S Γ=和*

22L S Γ=时，上述增益有最大值，最大值为：

标准化增益因子S g 和L g 定义为：

其中，

01S g ≤≤和01L g ≤≤

上述标准化增益公式可以用S Γ或L Γ平面中修正S g 和L g 的圆表示。为了说明这一点，

g可以表示为：

S

在等式两边同时加上，

上述公式简化为：

这代表了一个圆周，其圆心和半径分别为：

图5.1 输入/输出固定增益圆周

输出固定增益圆周的结果为：

每个圆周的圆心都落在以*11S 或*

22S 为倾角的直线上。当S g （或L g ）＝1（最大增益），半径s R （或L R ）变为0并且圆心就是*11S （或*22S ）。

2.2 噪声系数和固定噪声圆周

加载在放大器输入端信号和噪声被放大器以其增益放大而放大器的噪声被加在了输出端。因此，输出端的SNR （信噪比）比输入端的信噪比小。输入端与输出端的信噪比的比值被定义为噪声系数，从而总是大于1的。

一般来说，二端口晶体管在由下式（5-11）给出的导纳条件下，其噪声系数有最小值。

其中，

S s s Y G jB =+=为晶体管提供的源极导纳 opt Y =可以得到最小噪声系数的最优源极导纳

min F =晶体管最小噪声系数（当）

N R =晶体管等效噪声 S G =源极导纳的实部

反射系数s Γ和opt Γ可以用来代替S Y 和opt Y ，也就是说，

对于低噪声晶体管，制造商常常按频率提供min ,,N opt F R Y 。用功率反射系数表示功率导纳，公式（5-11）可以化简为：

根据需要的噪声系数，利用公式（5-13）可以定义N ：

可以利用公式（5-13）和固定的噪声系数获得功率端的反射系数，从而可以在史密

斯图中得到一个以F C 为圆心以F R 为半径的圆，相应公式如下：

图5.2 史密斯图中的固定噪声系数圆

2.3最小噪声系数设计方法

因为接收机第一个放大器的噪声系系数会影响到整个系统的噪声系数，所以低噪声放大器对于接收机来说尤为重要。在使用二端口晶体管时，为了得到最小噪声系数，设计要要使功率反射系数与opt Γ相匹配；同时，负载反射系数与out Γ的共轭复数相匹配。如下：

2.4 噪声系数与功率增益的折中

S opt Γ=Γ和*L out Γ=Γ被用来得到最小噪声系数。但是，这样就不能与输入导纳相适应

从而也就不能得到最大功率增益。比如，在输入端不匹配的情况下，放大器可能会以最小的噪声系数反射大量的功率。因此，输入端VSWR （电压驻波比）可以通过折中噪声系数与功率增益来获得提高，也就是说增加噪声系数使之大于其最小值。要达到这个目的，可以在史密斯图中画出固定增益圆周和固定噪声系数圆周，并使交点与S Γ匹配。如图5.3，最好的解决方法就是选择固定增益圆周和固定噪声系数圆周的交点。换句话说，在这点可以得到最大的增益和最小的噪声系数。

图5.3固定增益圆周和固定噪声系数圆周

3.设计过程 3.1LNA 设计规范

3.2器件选择

－使用Infinion BFP540（详见附录“数据表”）

3.3 仿真过程

－使用Ansoft Designer SV

第一步：建立电路图（工程→插入电路设计→空白）

第二步：添加衬底信息（电路→加入模型数据→加入衬底定义）

第三步添加BFP540（画图→N－节点）

第四步设定仿真频率范围（电路→添加分析设置）

第五步执行仿真（电路→分析）

第六步确定仿真结果（电路→报告）

第七步稳定性校验（电路→史密斯工具）

第八步稳定性：在晶体管输出端口连接平行电阻器

第九步执行仿真（电路→分析）

第十步稳定性校验（电路→史密斯工具）

第十一步选择功率反射系数（电路→史密斯工具）：Ga=11.8dB, NF=1.33 Circle