低噪聲放大器設(shè)計 論文

低噪聲放大器設(shè)計摘要：微弱信號檢測就是利用近代電子學(xué)和信號處理方法從噪聲中提取有用信號，其關(guān)鍵在于抑制噪聲?；謴?fù)、增加和提取有用信號。與普通放大器相比，低噪聲放大器應(yīng)具有低得多的噪聲系數(shù)。欲使放大器獲得良好的低噪聲特性，除使用好的低噪聲器件外，還要有周密的設(shè)計。本文將從低噪聲放大器在通訊系統(tǒng)中的作用，低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)以及低噪聲放大器的設(shè)計方法來論述低噪聲放大器，以獲得最佳噪聲性能的低噪聲放大器。重點介紹了低噪聲放大器的設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：低噪聲，微弱信號檢測，噪聲系數(shù)，放大器0．引言隨著現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)的發(fā)展，人們越來越需要從強噪聲中檢測出有用的微弱信號，于是逐漸形成了微弱信號檢測這門新興的科學(xué)技術(shù)學(xué)科，其應(yīng)用范圍遍及光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域。微弱信號檢測技術(shù)是利用電子學(xué)、信息論、計算機及物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點與相關(guān)性，檢測被噪聲淹沒的微弱有用信號，或用一些新技術(shù)和新方法來提高檢測系統(tǒng)輸出信號的信噪比，從而提取有用信號。微弱信號檢測所針對的檢測對象，是用常規(guī)和傳統(tǒng)方法不能檢測到的微弱量。對它的研究是發(fā)展高新技術(shù)，探索及發(fā)現(xiàn)新的自然規(guī)則的重要手段，對推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的應(yīng)用價值。目前，微弱信號檢測的原理、方法和設(shè)備已經(jīng)成為很多領(lǐng)域中進行現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究不可缺少的手段。顯然，對微弱信號檢測理論的研究，探索新的微弱信號檢測方法，研制新的微弱信號檢測設(shè)備是目前檢測技術(shù)領(lǐng)域的一大熱點。1．低噪聲放大器在通訊系統(tǒng)中的作用隨著通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對各種無線通訊工具的要求也越來越高，功率輻射小、作用距離遠、覆蓋范圍大已成為各運營商乃至無線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，這就對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求，眾所周知，系統(tǒng)接收靈敏度的計算公式如下：S=-174+NF+10㏒BW+S/N（1）由上式可見，在各種特定（帶寬、解調(diào)S/N已定）的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素就是降低接收機的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機最前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的設(shè)計對整個接收機來說是至關(guān)重要的。2．低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：=2\*Arabic2.1噪聲系數(shù)NF放大器的噪聲系數(shù)NF可定義如下（2） （2）式中，NF為微波部件的噪聲系數(shù)；Sin，Nin分別為輸入端的信號功率和噪聲功率；Sout，Nout分別為輸出端的信號功率和噪聲功率。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。通常，噪聲系數(shù)用分貝數(shù)表示，此時（3） （3）（4）對單級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計算為：（4）其中Fmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的，Γopt、Rn和Γs分別為獲得Fmin時的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、以及晶體管輸入端的源反射系數(shù)。對多級放大器而言，其噪聲系數(shù)的計算為：NF=NF+(NF-1)/G+(NF-1)/GG+……（5）其中NFn為第n級放大器的噪聲系數(shù)，Gn為第n級放大器的增益。在某些噪聲系數(shù)要求非常高的系統(tǒng)，由于噪聲系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示很不方便，常常用噪聲溫度來表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：Te=T0(NF–1)（6）其中Te為放大器的噪聲溫度，T0=2900K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。NF(dB)=10LgNF（7）=2\*Arabic2．2放大器增益G：微波放大器功率增益有多種定義，比如資用增益、實際增益、共扼增益、單向化增益等。對于實際的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和負(fù)載都是50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗情況下實測的增益。實際測量時，常用插入法，即用功率計先測信號源能給出的功率P1；再把放大器接到信源上，用同一功率計測放大器輸出功率P2，功率增益就是（8） （8）低噪聲放大器都是按照噪聲最佳匹配進行設(shè)計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，因此增益G要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大增益大概低2－4dB。=2\*Arabic2.3輸入輸出的駐波比和反射系數(shù)：低噪聲放大器主要指標(biāo)是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設(shè)計的，其結(jié)果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會很好。此外，由于微波場效應(yīng)晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。=2\*Arabic2.4放大器的動態(tài)范圍（IIP3）：動態(tài)范圍是指低噪音放大器輸入信號允許的最小功率和最大功率的范圍。動態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。當(dāng)放大器的噪聲系數(shù)Nf給定時，輸入信號功率允許最小值是：（9） （9）其中：－微波系統(tǒng)的通頻帶(例如中頻放大器通頻帶)；M－微波系統(tǒng)允許的信號噪聲比，或信號識別系數(shù)；T0－環(huán)境溫度，293K。由公式可知，動態(tài)范圍下限基本上取決于放大器噪聲系數(shù)，但是也和整個系統(tǒng)的狀態(tài)和要求有關(guān)。例如，電視機信號微波中繼每信道頻帶＝40MHz，信號噪音比M＝10，放大器噪聲系數(shù)Nf=1.2(0.8dB)動態(tài)范圍下限是。動態(tài)范圍的上限是受非線性指標(biāo)限制，有時候要求更加嚴(yán)格些，則定義為放大器非線性特性達到指定三階交調(diào)系數(shù)時的輸入功率值。除以上各項外，低噪聲放大器的工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦度等指標(biāo)也很重要，設(shè)計時要認(rèn)真考慮。3．低噪聲放大器的設(shè)計方法：=3\*Arabic3.1低噪聲放大管的選擇原則對微波電路中應(yīng)用的低噪聲放大管的主要要求是高增益和低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達到幾個千兆噪聲系數(shù)為幾個分貝，而砷化鎵小信號的場效應(yīng)管的工作頻率更高，噪聲系數(shù)可在1分貝以下。我們在選取低噪聲放大器管通?？梢詮囊韵聨讉€方面進行考慮：1）微波低噪聲管的噪聲系數(shù)足夠小工作頻段足夠高，晶體管的fT一般要比工作頻率高4倍以上，現(xiàn)在PHEMT場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)在2GHz可在0.5dB左右，工作頻率高端可達到6GHz。2）微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動態(tài)范圍,一般要求放大器工作增益大于10dB以上,當(dāng)輸入信號達到系統(tǒng)最大值時由放大器非線性引起的交調(diào)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲.=3\*Arabic3.2輸入輸出匹配電路的設(shè)計原則對于單級晶體管放大器的噪聲系數(shù)，如上式（4）所示，式（4）可以化成一個圓的表達式，即等噪聲系數(shù)圓。圓上每一點代表一個能產(chǎn)生恒定噪聲系數(shù)NF的源反射系數(shù)。如要獲得需要的噪聲系數(shù)，只要在圓圖上畫出對應(yīng)于這個噪聲系數(shù)的圓，然后將源阻抗匹配到這個圓上的一個點就行了。實際設(shè)計中由于要兼顧到放大器的增益，通常我們不取最小噪聲系數(shù)。在對放大器進行單項化設(shè)計時（假定S12＝0），轉(zhuǎn)移功率增益GT可以由如下公式表示：GT=G0G1G2其中，，對于特定的晶體管S11、S22是確定的，不同的源反射系數(shù)Γ1和負(fù)載反射系數(shù)Γ2，可以構(gòu)成恒定增益圓，設(shè)計時只須將源和負(fù)載反射系數(shù)分別匹配到相應(yīng)的圓上，便能得到相應(yīng)的增益。將恒定增益圓與等噪聲系數(shù)圓結(jié)合起來設(shè)計，便能得到比較理想的結(jié)果。另外設(shè)計中還要注意增益平坦設(shè)計主要是高端共軛匹配，低端校正，一般還需在多個中間頻率上進行增益規(guī)定性校驗，在高頻應(yīng)用時由于微波晶體管本身的增益一般隨著頻率的升高而降低，為了保證電路在低頻率段的增益恒定和穩(wěn)定性可以考慮在輸入輸出端采用高通匹配方式。在以上的討論中我們忽略了晶體管的反向傳輸系數(shù)，實際中微波場效應(yīng)晶體管和雙極性晶體管都存在內(nèi)部反饋，微波管的S12就表示內(nèi)部反饋量，它是電壓波的反向傳輸系數(shù)。S12越大，內(nèi)部反饋越強，反饋量達到一定強度時，將會引起放大器穩(wěn)定性變壞，甚至產(chǎn)生自激振蕩。微波管的S21代表電壓波的正向傳輸系數(shù)，也就是放大倍數(shù)。S21越大，則放大以后的功率越強。在同樣的反饋系數(shù)S12的情況下，S21越大當(dāng)然反饋的功率也越強，因此S21也影響放大器的穩(wěn)定性。一個微波管的射頻絕對穩(wěn)定條件是，，其中K稱為穩(wěn)定性判別系數(shù)，K大于1是穩(wěn)定狀態(tài)，只有當(dāng)式（2－4）中的三個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩(wěn)定的。實際設(shè)計時為了保證低噪聲放大器穩(wěn)定工作還要注意使放大器避開潛在不穩(wěn)定區(qū)。為改善微波管自身穩(wěn)定性，有以下幾種方式：1）串接阻抗負(fù)反饋在MESFET的源極和地之間串接一個阻抗元件，從而構(gòu)成負(fù)反饋電路。對于雙極晶體管則是在發(fā)射極經(jīng)反饋元件接地。在實際的微波放大器電路中，電路尺寸很小，外接阻抗元件難以實現(xiàn)，因此反饋元件常用一段微帶線來代替，它相當(dāng)于電感性元件的負(fù)反饋。2）用鐵氧體隔離器鐵氧體隔離器應(yīng)該加在天線與放大器之間，假定鐵氧體隔離器的正向功率衰減微為，反向功率衰減為，且1，1。則＝0為加隔離器前的反射系數(shù)，為加隔離器后的反射系數(shù)。用以改善穩(wěn)定性的隔離器應(yīng)該具有的特性是：頻帶必須很寬，要能夠覆蓋低噪聲放大器不穩(wěn)定頻率范圍；反向隔離