低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真_第1頁
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文檔簡介

1、低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真隨著技術(shù)與工藝的提高,通信系統(tǒng)中限制通信距離的因素已不是信號(hào)的微弱程度,而是噪聲干擾的程度??朔肼暩蓴_是設(shè)計(jì)設(shè)備必需考慮的問題。從廣義上來講。噪聲是指設(shè)計(jì)中不需要的干擾信號(hào),然而各式各樣的通信信號(hào)通常是以電波形式傳揚(yáng),因此,接收實(shí)用信號(hào)的同時(shí),不行避開地混入各種無用信號(hào)。即便是實(shí)行濾波、屏蔽等辦法,還是會(huì)有或多或少無用的信號(hào)滲入到接收信道中,干擾后續(xù)信號(hào)處理。在充實(shí)外部干擾的同時(shí),還需充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的主觀能動(dòng)性,即就是從接收機(jī)內(nèi)部降低設(shè)備自身干擾,主要是采納低噪聲來實(shí)現(xiàn)。因此,這里提出一種低噪聲放大器的設(shè)計(jì)計(jì)劃。1 低噪聲放大器技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)原則11 主要技術(shù)指標(biāo)低

2、噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)包括:噪聲系數(shù)、功率增益、輸入輸出駐波比、反射系數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍等。因?yàn)樵O(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí),在兼顧其他各指標(biāo)的同時(shí),主要考慮噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)是信號(hào)通過放大器(或微波器件)后,因?yàn)榉糯笃?或微波器件)產(chǎn)生噪聲使得信噪比變壞。信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù),通常用nf表示。放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度表示。噪聲溫度與噪聲系數(shù)nf的關(guān)系式中,t0為環(huán)境溫度,通常以肯定溫度為單位,293 k,注重:這里的噪聲系數(shù)nf并非以db為單位。對(duì)于單級(jí)放大器,噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為式中,nfmin為晶體管最小噪聲系數(shù),由晶體管本身打算;out、rn、s分離為獲得nfmin時(shí)的最佳源反射

3、系數(shù)、晶體管等效噪聲、晶體管輸入端的源反射系數(shù)。而多級(jí)放大器噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為式中,nf總為放大器整機(jī)噪聲系數(shù);nf1、nf2、nf3分離為第1,2,3級(jí)的噪聲系數(shù);g1、g2分離為第1,2級(jí)功率增益。從式(3)看出,當(dāng)前級(jí)增益g1和g2足夠大時(shí),整機(jī)的噪聲系數(shù)臨近第l級(jí)的噪聲系數(shù)。因此多級(jí)放大器中,第1級(jí)的噪聲系數(shù)大小起打算作用。12 設(shè)計(jì)原則121 晶體管的選取中低噪聲晶體管的主要技術(shù)指標(biāo)為:高增益、低噪聲以及足夠的動(dòng)態(tài)范圍。現(xiàn)階段雙極型低噪聲管的工作頻率可達(dá)到幾十吉赫茲,噪聲系數(shù)為幾分貝,砷化鎵小信號(hào)的工作頻率更高,并且噪聲系數(shù)可達(dá)1 db以下。在選取低噪聲晶體管時(shí),通常遵循以下2個(gè)原

4、則:1)微波低噪聲晶體管的噪聲系數(shù)足夠小,工作頻段足夠高,普通狀況下所挑選的晶體管的ft要比其工作頻率高4倍以上;2)所選的微波低噪聲晶體管要有足夠高的增益與足夠大的動(dòng)態(tài)范圍。通常要求放大器的工作增益大于10db,當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到系統(tǒng)最大值時(shí),由放大器非線性引起的交調(diào)重量小于系統(tǒng)基底噪聲。122 電路設(shè)計(jì)原則這里的電路設(shè)計(jì)原則實(shí)際就是輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)原則。首先,輸入匹配電路的設(shè)計(jì)原則是:在優(yōu)先滿足最小噪聲的前提下,提高電路增益。也就是按照輸入等增益圓與等噪聲圓選取合適的out。l所示,通常要求zout=zopt,out=opt。第二,輸出匹配電路的基本任務(wù)是把微波管復(fù)數(shù)輸出阻抗匹配到負(fù)載實(shí)

5、數(shù)阻抗50 。輸出匹配電路主要是提高增益高,因此所設(shè)計(jì)的輸出匹配電路在zin=zt*成立才干夠?qū)崿F(xiàn)其任務(wù)。再者,放大器設(shè)計(jì)必需使得所設(shè)計(jì)的放大器是穩(wěn)定的,也就是需要滿足穩(wěn)定性條件。最后,在滿足指標(biāo)的同時(shí),重點(diǎn)考慮工藝和結(jié)構(gòu)上的可實(shí)現(xiàn)性。工藝上應(yīng)挑選損耗小、易于加工、性質(zhì)穩(wěn)定、材料的物理(厚度)和電氣性能(介電常數(shù))勻稱,同時(shí)表面光滑度達(dá)到一定要求的印制板。對(duì)于基板材料方面fr-4(介電常數(shù)45之間)與氧化鋁陶瓷是常用的微波基板。在布板時(shí)還需考慮鄰近相關(guān)電路的影響。此外應(yīng)注重濾波、接地和外電路設(shè)計(jì)中電磁兼容設(shè)計(jì)原則。2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)步驟該設(shè)計(jì)是借助于功能強(qiáng)大的射頻電路設(shè)計(jì)與軟件ads舉行設(shè)計(jì)

6、的。這里所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器是一個(gè)結(jié)構(gòu)最容易的單級(jí)低噪聲放大器,旨在容易明白解釋用法計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件迅速設(shè)計(jì)低噪聲放大器。21 指標(biāo)要求為了清晰解釋該低噪聲放大器的設(shè)計(jì)過程,其設(shè)計(jì)指標(biāo)并不是很高,詳細(xì)如下:頻率范圍為222 ghz;增益g大于15 db:噪聲系數(shù)nf小于1 db;工作為5 v;工作小于150 ma:輸入輸出駐波比vswr小于15;輸入輸出的阻抗為50 ;rf信號(hào)接頭為sma;形狀尺寸為43 mmx26 mmx8 mm。22 設(shè)計(jì)步驟221 晶體管的選型通過查閱晶體管生產(chǎn)廠商的相關(guān)資料,綜合上述低噪聲晶體管的挑選原則,這里選用agilent公司的atf-54143型晶體管。22

7、2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定在選好晶體管后,理論上就要確定直流工作點(diǎn)。但實(shí)際工程實(shí)踐中,則是挺直將所選晶體管的數(shù)據(jù)資料中的相應(yīng)s參數(shù)寫入相應(yīng)設(shè)計(jì)軟件中,以s參數(shù)為模設(shè)計(jì)電路。s參數(shù)能夠徹低反映晶體管的全部特性,這是由于:1)在對(duì)器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不關(guān)懷時(shí),只注意其外部特性時(shí),就徹低能夠以網(wǎng)絡(luò)參數(shù)形式代替這一器件的外部特性;2)晶體管的數(shù)據(jù)資料的相關(guān)參數(shù)都是針對(duì)實(shí)際產(chǎn)品在一定的試驗(yàn)平臺(tái)下測(cè)得的,因此更臨近于器件的實(shí)際特性。圖2是對(duì)所挑選晶體管在ads中搭建的電路,主要是用于對(duì)晶體管的輸入阻抗與對(duì)應(yīng)于最小噪聲系數(shù)的最佳阻抗的測(cè)量,這些測(cè)量很簡單在ads中實(shí)現(xiàn)。按照上述關(guān)于輸入阻抗結(jié)果來設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)計(jì)滿足最

8、小噪聲匹配,并兼顧增益指標(biāo)。其緣由可由式(3)得到。這里選用的是phemt晶體管,該晶體管能夠在噪聲系數(shù)不是最小時(shí),也能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲指標(biāo)。在設(shè)計(jì)的過程中曾經(jīng)試圖以最小噪聲匹配為目標(biāo),但是最后在兼顧增益的前提下,挑選了最佳增益匹配為目標(biāo)的設(shè)計(jì)。但無論是以最小噪聲為目標(biāo)還是以最大增益匹配為目標(biāo),在ads中的實(shí)現(xiàn)方式基本是全都的。在確定了匹配的目標(biāo)后,可以很簡單運(yùn)用ads的設(shè)計(jì)向?qū)В瑢?duì)匹配電路舉行設(shè)計(jì)。通常狀況下挑選支節(jié)匹配。當(dāng)挑選設(shè)計(jì)向?qū)е械膯沃Ч?jié)模塊,通過對(duì)輸入輸出匹配參數(shù)的設(shè)定,就能很簡單實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的匹配電路。3所示。其中,圖3(b)為圖3(a)中微帶支節(jié)匹配的詳細(xì)形式。這里需要解釋的是,在設(shè)計(jì)

9、過程中所選的基板材料為介電常數(shù)為43的環(huán)氧玻璃fr-4,基板厚度為08 mm。對(duì)輸入匹配電路設(shè)計(jì)完成之后,接下來就是對(duì)輸出匹配電路的設(shè)計(jì),用法與輸入匹配電路設(shè)計(jì)中相類似辦法,得到輸出匹配電路的初值。之所以這里為初值,是由于當(dāng)根據(jù)目標(biāo)值設(shè)計(jì)輸出匹配電路,輸入駐波比達(dá)不到指標(biāo)要求。因此必需對(duì)輸出匹配電路舉行相應(yīng)調(diào)節(jié)。為了充分發(fā)揮cad軟件優(yōu)勢(shì),這里對(duì)匹配電路的調(diào)節(jié)借助于優(yōu)化辦法,圖4為優(yōu)化電路的原理圖。最后加上偏置網(wǎng)絡(luò)舉行整體仿真,其實(shí)加不加偏置網(wǎng)絡(luò)對(duì)仿真過程影響并不是很大。由于偏置網(wǎng)絡(luò)是通過高頻扼流圈接入的,這就使得射頻信號(hào)不會(huì)對(duì)電源部分造成影響,同時(shí),通過一段四分之一波長的傳輸線引入電源。因此

10、,對(duì)于射頻電路,電源接入射頻電路的接入點(diǎn)相當(dāng)于對(duì)射頻信號(hào)是開路的,同樣直流電源的引入也不會(huì)對(duì)射頻電路造成影響,并且在rf信號(hào)的輸入端也加入了dc block,進(jìn)一步隔斷直流對(duì)射頻信號(hào)的影響。終于電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)5所示。3 設(shè)計(jì)結(jié)果31 仿真結(jié)果低噪聲放大器設(shè)計(jì)結(jié)果6所示。從圖6可得:在囫圇頻帶內(nèi),輸入輸出駐波比vswrl與vswr2小于15:增益以db(s(2,1)表示大于15 db,噪聲系數(shù)nf(2)小于05,而穩(wěn)定性系數(shù)stabfactl以及穩(wěn)定性因子均大于1,也就是說所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器徹低滿足指標(biāo)要求。32 版圖的設(shè)計(jì)結(jié)果利用ads可以挺直由原理圖生成版圖的特性,首先在ads中由所完成的

11、原理圖生產(chǎn)版圖,通過對(duì)版圖的相應(yīng)調(diào)節(jié),終于以autocad的形式完成版圖與結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì),結(jié)果7所示。從圖7可以簡單發(fā)覺,版圖的設(shè)計(jì)中,在微帶線的兩邊放置許多小方塊,這些小方塊是在微波電路設(shè)計(jì)中常常用法的微調(diào)小島。雖然其調(diào)整力度有限,但是有了這些微調(diào)小島,在一定程度上可以節(jié)省設(shè)計(jì)成本:不至于對(duì)電路板的調(diào)整心有余而力不足,導(dǎo)致無法微調(diào)而需再版。版圖中扇形開路途的應(yīng)用,起到了對(duì)增益平坦度的調(diào)整作用:對(duì)于某些較低頻率的信號(hào),扇形開路途對(duì)這些信號(hào)短路,從而降低了低端信號(hào)的增益。而做成扇形結(jié)構(gòu)可以大幅提高調(diào)整范圍。在結(jié)構(gòu)方面需要補(bǔ)充解釋的一點(diǎn)是:盒體窄邊尺寸必需小于工作頻段最高頻率波長的二分之一,這一要求受限于截止波導(dǎo)相關(guān)理論。4 結(jié)束語通過容易的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與仿真,

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