低噪声功率放大器设计

微波电子线路大作业——低噪声功率放大器设计班级：021013班学号：02011268姓名：低噪声放大器的设计一、设计要求：已知GaAsFET在4GHz、50Ω系统中的S参数和噪声参量为S11=0.6∠－60°，S21=1.9∠81°，S12=0.05∠26°，S22=0.5∠－Γout=0.62∠设计一个低噪声放大器，要求噪声系数为2dB，并计算相应的最大增益。若按单向化进行设计，则计算GT的最大误差。二、低噪声放大器设计原理及思路1.1低噪声放大器功能概述低噪声放大器是射频／微波系统的一种必不可少的部件，它紧接接收机天线，放大天线从空中接收到的微弱信号。低噪声放大器在对微弱信号放大的同时还会产生附加于扰信号，因此它的设计目标是低噪声，足够的增益，线性动态范围宽。低噪声放大器影响整机的噪声系数和互调特性，分析如下（1）系统接收灵敏度：（2）多个级连网络的总噪声系数1.2放大器工作组态分类A类放大器（导通角360度，最大理论效率50%）用于小信号、低噪声，通常是接收机前端放大器或功率放大器的前级放大。B类（导通角180度，最大理论效率78.5%）和C类（导通角小于180度，最大理论效率大于78.5%）放大器电源效率高，愉出信号谐波成分高，需要有外部混合电路或滤波电路．由B类和C类放大器还可派生出D类、E类、P类等放大器。min114(dBm/Hz)NF10logBW(MHz)/(dB)SSN32111212111ntotAAAAAAnFFFFFGGGGGG1.3放大器常用元器件①两端负阻的二极管器件变容二极管：参量放大隧道二极管：隧道效应耿氏二极管：转移电子碰撞雪崩渡越时间二极管：雪崩渡越时间特点：应用于放大器电路的早期器件，制造比较容易、便宜，但是两端口器件实现增益的相关电路价格确比较昂贵，且稳定性较差，调试工作困难。②三端的晶体管器件双极晶体管（BJT）金属半导体场效应管（MESFET）拟晶态高电子迁移率晶体管（PHEMT）异质结晶体管（HBT）1.4放大器的技术参数（1）频率范围：放大器的工作频率范围是选择器件和电路拓扑设计的前提。（2）增益：它是放大器的基本指标。按照增益可确定放大器的级数和器件类型。实际功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比，与源阻抗无关，与负载阻抗有关;资用功率增益：二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比，源端和负载端均共扼匹配，与源阻抗有关，与负载阻抗无关。它表示放大器增益的最大潜力;转换功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端的资用功率之比，与两端阻抗都有关。实际增益测量时，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。（3）噪声系数放大器的噪声系数是输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值，表示信号经过放大器后信号质量的变坏程度。级联网络中，越靠前端的元件对整个噪声系数的影响越大，在接收前端：必须做低噪声设计。放大器的设计要远离不稳定区。噪声的好坏主要取决于器件和电路设计。（4）动态范围放大器的线性工作范围。最小输入功率为接收灵敏度，最大输入功率是引起1dB压缩的功率。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F的关系是。式中T0为环境温度，通常取为293K。根据公式，可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪声温度。（5）非线性特性常用三阶交调截点P3rd来表征放大器电路的非线性特性，三阶交调截点的典型值比P1dB高10dB。（6）稳定性放大器电路的首要条件之一是其在工作频段内的严格稳定性，这一点对微波射频电路是非常重要的，因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的倾向。12PPG0(1)eTTF当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于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：放大器在гS输入平面上绝对稳定的充分必要条件为放大器在гL输入平面上绝对稳定的充分必要条件为1.5低噪声放大器特性分析1、增益与负载有关，输入输出匹配时输出增益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。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。输入匹配电路输出匹配电路微波器件[S]P3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0Γ1Γ2ΓsΓLZinZoutZsZL211211112SSSsuficient211222122SSSsuficient211222112221122111222SSSSSSSSnecessary101necessarysuficient102necessarysuficient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Fmin，称为最佳噪声匹配状态。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。等噪声圆、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。1.6低噪声放大器的设计原则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。输出匹配电路设计以提高放大器增益为主，满足稳定性条件：out=Z0（L=2*）结构工艺上易实现1.7低噪声放大器的设计流程：数据分析及后处理选定稳定网络及匹配电路形式稳定圆分析全版图仿真（电路电磁混合仿真）结束电路优化（调整匹配电路形式或参量）是否满足设计要求？选择所用晶体管噪声圆分析等增益圆分析输入输出电压驻波比分析是Spice模型还是小信号S参数模型？Spice模型S参数模型设计偏置电路1dB压缩点与三阶交截点分析三、低噪声放大器设计过程1.1放大器设计软件平台：AWRDesignEnvironment。1.2设计步骤：①创建原理图；·本电路根据所给的指标参数，选择的元器件是富士FHX35LG；（富士FHX35LG的各项指标见附录）②选择元器件富士FHX35LG，导入数据文件，测量元器件的各项指标；a、IV特性测量电路b、IV特性c、FHX35LG的输入输出特性由上图分析可知：S12特别小，应该进行单向化设计。d、增益参数e、噪声系数由图知：K=1，f=11.83GHz③创建稳态电路测量稳态下各项参数；a、稳态电路图b、稳定调节参数：（使用优化）c、稳态调节后输入特性与加稳定电路之前特性相比，可以看出反射系数减小，稳定度提高。d、稳定后的噪声系数由第二个图可以看出，K=1时，f大概在4GHz左右。e、噪声系数圆图蓝色区域为潜在不稳定区域，由图可以看出，潜在不稳定区域较小。④输入匹配电路设计；a、输入匹配电路b、输入匹配电路参数设置使用软件自带的调谐工具调整后结果C、输入匹配圆图图中制作Mark的地方为4GHz，输入匹配成功。⑤输出匹配电路设计a、输出匹配电路b、总电路C、总电路特性噪声在4GHz处得到抑制，噪声系数为1.1dB；d、单向化设计输出功率四、附件!fhx35lg.s2p4/90!FHX35LG!@3V-10mA!.1GHZ20GHZ22#GHZSMAR50!S-parameterdata.100.996-3.54.576177.2.00281.2.516-2.5.500.994-12.14.548169.0.01279.3.517-10.21.000.982-23.54.471158.5.02373.1.513-19.92.000.950-44.74.304139.3.04357.9.498-38.03.000.912-64.64.026121.0.05944.6.483-54.94.000.867-84.03.742103.1.07131.8.462-71.95.000.821-101.63.43686.6.07920.0.446-87.66.000.783-117.53.13271.6.0859.8.439-102.27.000.757-130.92.88157.9.0870.9.441-115.38.000.738-142.82.65945.0.088-7.1.452-126.79.000.726-153.82.49732.4.090-15.3.468-136.910.000.707-164.52.34720.2.092-21.7.480-146.111.000.680-174.12.2068.4.090-27.8.494-156.012.000.654176.12.101-3.4.090-35.5.503-164.813.000.638166.02.035-15.1.091-42.6.514-173.814.000.626157.12.003-26.2.093-49.6.537178.415.000.607147.81.975-37.6.094-55.8.559171.016.000.565138.41.917-50.1.097-64.7.564162.717.000.528127.21.924-62.9.102-73.3.567154.418.000.484112.81.966-77.1.109-86.2.572142.719.000.42193.51.932-91.7.116-96.2.581113.120.000.38074.21.991-107.4.127-110.9.547124.3!Noisedata4/9020.40.8132.0.5840.50.7463.0.4260.68.6993.0.3080.86.64127.0.20101.03.60148.0.12121.20.56175.0.08141.38.53-162.0.08161.54.50-139.0.10181.70.48-117.0.14