射频与微波-6低噪声放大器的设计

1第六讲低噪声放大器设计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。2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outoutininNSNSNF//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)lg(10)(NFdBNF3放大器技术指标—噪声系数与噪声温度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NF的关系是)1(0NFTTe式中，T0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)0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0NF1.0231.0471.0721.0961.1221.1481.1751.2021.2301.259Te(K)6.82513.8120.9628.2735.7543.4151.2459.2667.4775.87NF(dB)1.52.02.53.03.54.04.55.06.010NF1.4131.5851.7781.9952.2392.5122.8183.1623.98110.00Te(K)120.9171.3228.1291.6362.9442.9532.8633.5873.526374放大器技术指标—功率增益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12PPG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。5功率增益与噪声系数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：...11213121GGNGNNNffff其中：fN－放大器整机噪声系数；321fffNNN，，－分别为第1，2，3级的噪声系数；21GG，－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。6放大器技术指标—增益平坦度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。7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。8放大器技术指标—动态范围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：MfkTNPmf)(0min其中：mf－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mf＝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dBmWP811023.79min。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。9放大器技术指标—端口驻波比和反射损耗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。10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12,11）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：211211112SSSsuficient211222122SSSsuficient211222112221122111222SSSSSSSSnecessary放大器在гS输入平面上绝对稳定的充分必要条件为101necessarysuficient放大器在гL输入平面上绝对稳定的充分必要条件为102necessarysuficient11带有输入、输出匹配电路放大器的一般表示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。111121221222bSSabSSa输入匹配电路输出匹配电路微波器件[S]P3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0Γ1Γ2ΓsΓLZinZoutZsZL121、增益与负载有关，输入输出匹配时输出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Zin和输出阻抗Zout都转换到标准系统阻抗Z0，即Zin=Z0，Zout=Z0（或S=1*，L=2*）就可使器件的传输增益最高。在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆输入匹配电路输出匹配电路微波器件[S]P3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0Γ1Γ2ΓsΓLZinZoutZsZL13在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆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MESFET（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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Nfmin，称为最佳噪声匹配状态。14在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆输入、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S和最佳反射系数opt（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S是复数，不同的S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。15在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆等噪声源、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。16低噪声放大器设计的依据与步骤依据：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.输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50步骤：1.放大器级数2.晶体管选择3.电路拓朴结构4.电路初步设计5.用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟17电路设计原则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S，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，out=Z0（L=2*）3.满足稳定性条件4.结构工艺上易实现18电路设计——基本电路模块输入匹配电路模块输出匹配电路模块低噪声放大器一般不止一级，还有级间匹配电路模块。输入匹配电路输出匹配电路微波器件[S]P3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0Γ1Γ2ΓsΓLZinZoutZsZL19输入匹配电路——要求要求：Zout=Zoptout=opt20输入匹配电路——结构类型并联导纳型匹配电路阻抗变换型匹配电路21微带电路拓扑结构的选择原则（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。（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。22输入匹配电路——电路拓朴结构选择原则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。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指高于50而言，反之是指低于50。图6-8具有不同s11的微波晶体管适宜的匹配电路结构23输入匹配电路举例24级间匹配电路—基本要求其基本任务是使后级微波管输入阻抗与前级微波管输出阻抗匹配，以获得较大增益。在达到级间共轭匹配时应有Zin=ZT1*Zout=ZT2*图6-10放大器的级间匹配电路由于级间匹配电路是电抗性匹配，它的输入和输出必然同时达到共轭匹配。如果级间电路是第1级微波管后面的电路，除了增益匹配之外，对它还有两个要求：（1）按低噪声设计，使第2级要有足够低的噪声（2）要兼顾第1级输入驻波比。25级间匹配电路—第二级按低嗓声设计第二级按低噪声设计，使第2级要有足够低的噪声随着技术的进步，第一级微波放大的噪声越来越低。相对来说，第2级噪声对整机的噪声附加值愈加突出。举例来看，具体参数是：第1级噪声温度T1=25K（FdB=0.36dB）第1级相关增益G1=12（G=11dB）第2级噪声温度T2=120K（FdB=1.5dB）整机噪声温度T=25+120/12=35K这时整机噪声温度增大10K，即增大了40%。若第2级按低噪声设计，使T2'=40K，整机噪声温度T'=25+40/12=28.3K，此时整机噪声温度仅增大3.3K。因此，对于要求较高的低噪声放大器，必须第2级也按低噪声设计。26级间匹配电路—第二级设计时兼顾第1级输入驻波比第1级设计在最佳噪声匹配状态下，放大器输入驻波比一定不很好。利用微波管反向传输系数s12有可能适当调正第1微波管的输入反射系数o1，见图6-10中标注。反射系数o