低噪聲放大器的設計與仿真

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的微弱程度，而是噪聲干擾的程度?？朔肼暩蓴_是設計電子設備必須考慮的問題。從廣義上來講。噪聲是指設計中不需要的干擾信號，然而各種各樣的通信信號通常是以電波形式傳播，因此，接收有用信號的同時，不可避免地混入各種無用信號。即便是采取濾波、屏蔽等方法，還是會有或多或少無用的信號滲入到接收信道中，干擾后續(xù)信號處理。在改善外部干擾的同時，還需充分發(fā)揮設計人員的主觀能動性，即就是從接收機內(nèi)部降低設備自身干擾，主要是采用低噪聲放大器來實現(xiàn)。因此，這里提出一種低噪聲放大器的設計方案。

1 低噪聲放大器技術(shù)指標與設計原則
1．1 主要技術(shù)指標
低噪聲放大器的主要技術(shù)指標包括：噪聲系數(shù)、功率增益、輸入輸出駐波比、反射系數(shù)和動態(tài)范圍等。由于設計低噪聲放大器時，在兼顧其他各指標的同時，主要考慮噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)是信號通過放大器(或微波器件)后，由于放大器(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，通常以絕對溫度為單位，293 K，注意：這里的噪聲系數(shù)NF并非以dB為單位。
對于單級放大器，噪聲系數(shù)的計算公式為

式中，NFmin為晶體管最小噪聲系數(shù)，由晶體管本身決定；Γout、Rn、Гs分別為獲得NFmin時的最佳源反射系數(shù)、晶體管等效噪聲電阻、晶體管輸入端的源反射系數(shù)。
而多級放大器噪聲系數(shù)的計算公式為

式中，NF總為放大器整機噪聲系數(shù)；NF1、NF2、NF3分別為第1，2，3級的噪聲系數(shù)；G1、G2分別為第1，2級功率增益。
從式(3)看出，當前級增益G1和G2足夠大時，整機的噪聲系數(shù)接近第l級的噪聲系數(shù)。因此多級放大器中，第1級的噪聲系數(shù)大小起決定作用。
1．2 設計原則
1．2．1 晶體管的選取
射頻電路中低噪聲晶體管的主要技術(shù)指標為：高增益、低噪聲以及足夠的動態(tài)范圍。現(xiàn)階段雙極型低噪聲管的工作頻率可達到幾十吉赫茲，噪聲系數(shù)為幾分貝，砷化鎵小信號場效應管的工作頻率更高，并且噪聲系數(shù)可達1 dB以下。
在選取低噪聲晶體管時，通常遵循以下2個原則：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，一般情況下所選擇的晶體管的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態(tài)范圍。通常要求放大器的工作增益大于10dB，當輸入信號達到系統(tǒng)最大值時，由放大器非線性引起的交調(diào)分量小于系統(tǒng)基底噪聲。
1．2．2 電路設計原則
這里的電路設計原則實際就是輸入輸出匹配電路的設計原則。首先，輸入匹配電路的設計原則是：在優(yōu)先滿足最小噪聲的前提下，提高電路增益。也就是根據(jù)輸入等增益圓與等噪聲圓選取合適的Гout。如圖l所示，通常要求Zout=Zopt，Гout=Гopt。其次，輸出匹配電路的基本任務是把微波管復數(shù)輸出阻抗匹配到負載實數(shù)阻抗50 Ω。輸出匹配電路主要是提高增益高，因此所設計的輸出匹配電路在Zin=ZT*成立才能夠?qū)崿F(xiàn)其任務。再者，放大器設計必須使得所設計的放大器是穩(wěn)定的，也就是需要滿足穩(wěn)定性條件。最后，在滿足指標的同時，重點考慮工藝和結(jié)構(gòu)上的可實現(xiàn)性。工藝上應選擇損耗小、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))均勻，同時表面光潔度達到一定要求的印制板。對于基板材料方面FR-4(介電常數(shù)4～5之間)與氧化鋁陶瓷是常用的微波基板。在PCB布板時還需考慮鄰近相關(guān)電路的影響。此外應注意濾波、接地和外電路設計中電磁兼容設計原則。

2 低噪聲放大器設計步驟
該設計是借助于功能強大的射頻電路設計與仿真軟件ADS進行設計的。這里所設計的低噪聲放大器是一個結(jié)構(gòu)最簡單的單級低噪聲放大器，旨在簡單明了說明使用計算機輔助設計軟件快速設計低噪聲放大器。
2．1 指標要求
為了清楚說明該低噪聲放大器的設計過程，其設計指標并不是很高，具體如下：頻率范圍為2～2．2 GHz；增益G大于15 dB：噪聲系數(shù)NF小于1 dB；工作電壓為5 V；工作電流小于150 mA：輸入輸出駐波比VSWR小于1．5；輸入輸出的阻抗為50 Ω；RF信號接頭為SMA；外形尺寸為43 mmx26 mmx8 mm。