低噪声放大器介绍

低噪声放大器

低噪声放大器是一种具有优良噪声特性而增益较高的小信号放大器，一般位于接收机的前端，是决定整个接收系统噪声特性的关键部件。

目前常见的低噪声放大器有以下几种：低温制冷参量放大器、常温恒温参量放大器、微波场效应晶体管放大器和高电子迁移率晶体管放大器等。参量放大器采用变容电抗元件（变容二极管）对信号进行放大，可以获得满意的低噪声性能，进一步降低其工作的环境温度（例如环境温度达20K），会大幅度改善其噪声性能。然而随着金属半导体场效应晶体管性能的改善与提高，低噪声场效应放大器的噪声性能已接近于常温参量放大器的水平。同时，由于FET放大器具有性能稳定、结构紧凑、价格低廉等优点，它已逐步取代了参量放大器。目前，Ku频段以下的低噪声放大器普遍采用低噪声FET放大器。继低噪声MESFET之后，高电子迁移率晶体管（High Electron Mobiliey Transistor），简称HEMT器件，获得了迅速的发展。它在低噪声、高工作频率方面比FET更优越，已广泛投入使用。

目前广泛使用的是金属半导体场效应管低噪声放大器。它的核心部件是金属半导体场效应管（MESFET）。金属半导体场效应管是用本征砷化镓作为基片的衬底，用特殊工艺形成源极（S）、栅极（G）和漏极（D）三个电极；通过栅极电压来控制漏极电流，从而实现对小信号的放大功能。

微波场效应管的主要参数有：特征频率、单向功率增益和最大振

荡频率、最大输出功率和噪声特性。

微波场效应管低噪声放大器设计主要考虑的问题是计算输入、输出匹配网络和选择工作点。通常第一、二级按最小噪声系数设计，中间级按高增益设计，末级则保持良好的线性，满足系统互调特性的要求。

微波场效应管低噪声放大器的设计步骤：

1、 选择适当的电路形式

一般采用共源极电路形式，并尽可能选用f T 高的管子。

一般0)5~3(f f T =。

2、 确定工作点和偏置电路

小信号管做低噪声放大时，漏极电流很小，一般为10mA 左右。而作高增益放大时，漏极电流略大些，一般在10～30mA 。偏置电路的选择和低频电路类似，有恒流式偏置电路和分压式偏置电路两类。

3、 晶体管噪声参量和S 参数的获得

大多数情况下晶体管的生产厂家提供相应型号的器件的噪声参量和S 参数。晶体管的噪声参量和S 参数也可以通过在实际工作点下，测量所需频段的噪声参量和S 参数得到。实际的噪声系数表达式为：()()[]22min /op s op s s n B B G G G R F F -+-+= ；

式中，n R 是网络的等效电阻；

min F 是网络的最小噪声系数；

op op op jB G Y +=是对应于最小噪声系数的最佳源导纳；

s s s jB G Y +=是任意源导纳。

这里，主要是得到op n G F R ,,min 和op B 。

4、 判断稳定性

根据S 参数，利用K 参数可以判断放大器的稳定性。晶体管两端口网络的绝对稳定条件：

111〈S ，122〈S ，1〉K ，

式中：K = 21122211S S S S -=∆

如果满足绝对稳定条件，则源阻抗和负载阻抗不受影响；如果不满足绝对稳定条件，就要划出稳定性判别圆，在稳定区内选择源阻抗和负载阻抗。

5、 设计输入和输出匹配网络

根据管子的输入、输出阻抗，设计输入和输出匹配网络。

1）由于2

min op s op s op

n Y Y G G G R F F -+=，所以，噪声系数与s Γ存在一定的关系，它随信源反射系数s Γ或信源导纳s Y 而变化。因此，

可利用此关系式在s Γ复平面内确定噪声系数。经推导发现，对应

不同的噪声系数，在s Γ平面上对应一个圆， 圆心位置：N opt F +Γ=

1ρ 圆半径：()21111opt F N N N r Γ-++=；

简称等噪声系数圆。所以，对于微波场效应管低噪声放大器

第一、二级按最小噪声系数设计，就是尽量使s Γ位于噪声系数尽

量小的等噪声系数圆上，以获得最佳的噪声性能。

2）放大器的资用功率增益a G 表明信源阻抗对放大器功率增

益的影响。

()()()1

22

1122222221Re 211C S S S G s s s

a Γ-∆-Γ+-Γ-= 其中，∆-=*22

111S S C ；

所以，对于微波场效应管低噪声放大器中间级按高增益设计的要求，应选择合适的源阻抗使放大器的增益较高。

实际工作中，可以在圆图上同时把等噪声系数圆和稳定判别圆，等功率增益圆同时画出来，在选择s Γ时，利用等F 圆、等G

圆兼顾增益和噪声的要求，避开放大器的不稳定区。

一个微带集成电路的微波场效应管低噪声放大器示于下图：

图1 微波场效应管低噪声放大器微带电路

图2 微波场效应管低噪声放大器等效电路

一般情况下，在微波场效应管低噪声放大器输入输出端接入隔离器以改善输入输出端的驻波特性。

高电子迁移率晶体管（HEMT）低噪声放大器的设计方法和步骤与效应管低噪声放大器相类似。

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最后，列出一般系统对低噪声放大器的主要技术要求：

1、等效噪声温度或噪声系数。一般设备中要求其噪声温度

≤75K。

2、足够高的增益。以抑制后级对输入端产生的等效噪声的影