基于ads的低噪声放大器设计与仿真(编辑修改稿)

基于ads的低噪声放大器设计与仿真(编辑修改稿)内容摘要：

ll (27) 反射系数 放射系数是端口输入电压与输出电压的比值， 表达公式为：  = uu (28) 当Γ s = Γ opt 时，放大器的噪声系数最小， NF=NFmin ，但此时从功率传输的角度来看，输入端是失配的，所以放大器的功率增益会降低，但有些 时候为了获得最小噪声，适当的牺牲一些增益也低噪声放大器设计中经常采用的一种 办法。 放大器的动态范围（ IIP3） 在低噪声放大器的设计中，应充分考虑整个接收机的动态范围，以免在接收机后级造成严重的非线性失真，一般应选择低噪声放大器的输入三阶交调点 IIP3较高一点，至少比最大输入信号高 30dB，以免大信号输入时产生非线性失真。 除以上各项外，低噪声放大器的工作频率、工作带宽及通带内的增益平坦度等指标也很重要，设计时要认真考虑。 低噪声放大器设计设计的基本原则 低噪声放 大管的选择原则 对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围，目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在 1 分贝以下。 我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行考虑： 1） 微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管的 fT 一般要比工作频率高 4 倍以上，现在 PHEMT 场效应管的噪声系数在 2GHz 可在 左右，工作频率高端可达到 6GHz。 2）微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围 ,一般要求放大器工作增益大于 10dB 以上 , 当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声，对于 ZXPCS 大基站项目由于最大输入信号小于44dBm，考虑到放大器 13dB 左右增益，我们选取了 ATF34143 场效应管它的增益可达 15dB， OIP3 为 30dBm左右。 输入输出匹配电路的设计原则 对于单级晶体管放大器的噪声系数，可以将 表达式  222m in 1 14s o p ts o p tN F R     (29) 化成一个圆的表达式，即等噪声系数圆。 圆上每一点代表一个能产生恒定噪声系数 NF 的源反射系数。 如要获得需要的噪声系数，只要在圆图上画出对应于这个噪声系数的圆，然后将源阻抗匹配到这个圆上的一个点就行了。 实际设计中由于要兼顾到放大器的增益，通常我们不取最小噪声系数。 在对放大器进行单项化设计时（假定 S12＝ 0），转移功率增益 GT可以由如下公式表示 ： GT=G0G1G2 （ 211） 其中 G0= 211S ， G1 = 2211 1111 S， G2= 2222 2211 S ， 对于特定的晶体管 S1 S22是确定的，不同的源反射系数Γ 1 和负载反射系数Γ 2 ，可以构成恒定增益圆，设计时只须将源和负载反射系数分别匹配到相应的圆上，便能得到相应的增益。 将恒定增益圆与等噪声系数圆结合起来设计，便能得到比较理想的结果。 另外设计中还要注意增益平坦设计主要是高端共轭匹配，低端校正，一般还需在多个中间频率上进行增益规定性校验，在高频应用时由于微波晶体管本身的增益 一般随着频率的升高而降低，为了保证电路在低频率段的增益恒定和稳定性可以 考虑在输入输出端采用高通匹配方式。 在以上的讨论中我们忽略了晶体管的反向传输系数，实际中微波场效应晶体 管和双极性晶体管都存在内部反馈，微波管的 S12就表示内部反馈量，它是电压波的反向传输系数。 S12 越大，内部反馈越强，反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏，甚至产生自激振荡。 微波管的 S21代表电压波的正向传输系数，也就是放大倍数。 S21 越大，则放大以后的功率越强。 在同样的反馈系数 S12 的情况下， S21 越大当然反馈的功率也越 强，因此 S21 也影响放大器的稳定性。 一个微波管的射频绝对稳定条件是 ： 22 21 1 2 21 2 2 11 2SSSS  （ △ =|S11*S22S12*S21| ） （ 212） 2 12 2111 1S S S ， 2 12 2122 1S S S K 称为稳定性判别系数， K 大于 1 是稳定状态，只有当式中的三个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。 实际设计时为了保证低噪声放大器稳定工作还要注意使放大器避开潜在不稳定区。 为改善微波管自身稳定 性，有以下几种方式： 1）串接阻抗负反馈 在 MESFET 的源极和地之间串接一个阻抗元件，从而构成负反馈电路。 对于双极晶体管则是在发射极经反馈元件接地。 在实际的微波放大器电路中，电路尺寸很小，外接阻抗元件难以实现，因此反馈元件常用一段微带线来代替，它相当于电感性元件的负反馈。 2） 用铁氧体隔离器 铁氧体隔离器应该加在天线与放大器之间，假定铁氧体隔离器的正向功率衰减微为 ，反向功率衰减为 ，且 1， 1。 则  ＝ 0 0 为加隔离器前的反射系数，  为加隔离器后的反射系数。 用以改善稳定性的隔离器应该具有的特性是： (1) 频带必须很宽，要能够覆盖低噪声放大器不稳定频率范围； (2) 反向隔离度并不要求太高； (3) 正向衰减只需保证工作频带之内有较小衰减，以免影响整机噪声系数，而工作频带外，则没有要求。 (4) 隔离器本身端口驻波比要小。 3）稳定衰减器  型阻性衰减器是一种简易可行的改善放大器稳定性的措施， 通常接在低 噪声 放大器末级输出口，有时也可以加在低噪声放大器内的级间，由于衰减器是阻型衰减，不能加在输入口或前级的级间，以免影响噪声系数。 在不少情况下，放大器输出口潜在不稳定区较大，在输出端加  型阻性衰减器，对改善稳定性 相当有效。 三、 低噪声放大器的设计 放大器设计的主要流程 选择晶体管 S 参 数，噪声参数，功率输出，价格 计算 K 值 K1 计算 Gma k1 计算增益 Gma 在 TS和 TL 平面内画出不稳定区 假设 S12=0，在频率 f2设计 M1,M2 在稳定区令增益 Gma，在 f2设计 M1,M2 画出 TS和 TL多频率的变化曲线，检验稳定性 设计直流偏置电路，在检验稳定性 安排整个放大器电路 核实可实现性 安排光刻 是 否 否 否 否 是 低噪声放大管的选择 低噪声放大器 (LNA)是射频微波电路接收前端的主要部分，由于他位于接收机的最前端，要求他的噪声越小越好，但又要求有一定的增益，最小噪声 和最大增益一般不能同时满足，获取最小噪声和最大功率是矛盾的，一般电路设计总是选择折中的方案来达到设计的要求，以牺牲一定的增益来获得最小噪声，而在射频微波通信电路中，需要处理微弱的射频微波信号，因此，讨论合适的低噪声放大器电路的设计具有非常实际的意义。 对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围，目前双极型低噪声管的工作频率可以达到几个千兆噪声系数为几个分贝，而砷化镓小信号的场效应管的工作频率更高，噪声系数可在 1 分贝以下。 我们在选取低噪声放大器管通常可以从以下几个方面进行 考虑： 1） 微波低噪声管的噪声系数足够小工作频段足够高，晶体管的 fT 一般要比工作频率高 4 倍以上，现在 PHEMT 场效应管的噪声系数在 2GHz 可在 左右， 工作频率高端可达到 6GHz。 2）微波低噪声管要有足够高的增益和高的动态范围 ,一般要求放大器工作增益大于 10dB 以上 , 当输入信号达到系统最大值时由放大器非线性引起的交调产物小于系统本底噪声，对于 ZXPCS 大基站项目由于最大输入信号小于44dBm，考虑到放大器 13dB 左右增益，我们选取了 ATF34143 场效应管。