低噪聲放大器設(shè)計(jì)指南

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(duì)各種無(wú)線通訊工具的要求也越來(lái)越高，功率輻射小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大已成為各運(yùn)營(yíng)商乃至無(wú)線通訊設(shè)備制造商的普遍追求，這就對(duì)系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求，我們知道，系統(tǒng)接收靈敏度的計(jì)算公式如下：

S_min=-174+NF+10logBW+S/N (1)

由上式可見(jiàn)，在各種特定（帶寬、解調(diào)S/N已定）的無(wú)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(jī)的噪聲系數(shù)NF，而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)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(hào)，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(jì)對(duì)整個(gè)接收機(jī)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

2、低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：

2.1、噪聲系數(shù)NF

噪聲系數(shù)的定義為放大器輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即：

對(duì)單級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：

其中F_min為晶體管最小噪聲系數(shù)，是由放大器的管子本身決定的， Γ_opt、R_n 和Γ_s分別為獲得F_min時(shí)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(duì)多級(jí)放大器而言，其噪聲系數(shù)的計(jì)算為：

NF=NF₁+(NF₂-1)/G₁+(NF₃-1)/G₁G₂+ （4）

其中NF_n為第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)，G_n為第n級(jí)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(lái)表示，噪聲溫度與噪聲系數(shù)的換算關(guān)系為：

T_e=T₀ ( NF–1) （5）

其中T_e 為放大器的噪聲溫度，T₀ =290°K，NF為放大器的噪聲系數(shù)。

NF(dB) = 10LgNF （6）

2.2、放大器增益G：

放大器的增益定義為放大器輸出功率與輸入功率的比值：

G=P_out / P_in （7）

從式（4）中可見(jiàn)，提高低噪聲放大器的增益對(duì)降低整機(jī)的噪聲系數(shù)非常有利，但低噪聲放大器的增益過(guò)高會(huì)影響整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 所以，一般來(lái)說(shuō)低噪聲放大器的增益確定應(yīng)與系統(tǒng)的整機(jī)噪聲系數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍等結(jié)合起來(lái)考慮。

2.3、輸入輸出的駐波比：

低噪聲放大器的輸入輸出駐波比表征了其輸入輸出回路的匹配情況，我們?cè)谠O(shè)計(jì)低噪聲放大器的匹配電路時(shí)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計(jì)為接近最佳噪聲 匹配網(wǎng)絡(luò)而不是最佳功率匹配網(wǎng)絡(luò)，而輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設(shè)計(jì)，所以，低噪聲放大器的輸入端總是存在某種失配。這種失配在某些 情況下會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對(duì)系統(tǒng)的影響，可用插損很小的隔離器等其他措施來(lái)解決。

2.4、反射系數(shù)：

由式3可知，當(dāng)Γ_s = Γ_opt 時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)最小，NF=NF_min ，但此時(shí)從功率傳輸?shù)慕嵌葋?lái)看，輸入端是失配的，所以放大器的功率增益會(huì)降低，但有些時(shí)候?yàn)榱双@得最小噪聲，適當(dāng)?shù)臓奚恍┰鲆嬉驳驮肼暦糯笃髟O(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種辦法。

2.5、放大器的動(dòng)態(tài)范圍（IIP3）：

在低噪聲放大器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，以免在接收機(jī)后級(jí)造成嚴(yán)重的非線性失真，一般應(yīng)選擇低噪聲放大器的輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3較高一點(diǎn)，至少比最大輸入信號(hào)高30dB，以免大信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生非線性失真。

除以上各項(xiàng)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(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮。

3、低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法：

3.1、低噪聲放大管的選擇原則

對(duì)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(dòng)態(tài)范圍，目前雙極型低噪聲管的工作頻率可以達(dá)到幾個(gè)千兆噪聲系數(shù)為幾個(gè)分貝，而砷化鎵小信號(hào)的場(chǎng)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?cè)谶x取低噪聲放大器管通常可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(chǎng)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(dá)到6GHz。

2） 微波低噪聲管要有足夠高的增益和高的動(dòng)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(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)產(chǎn)物小于系統(tǒng)本底噪聲，對(duì)于ZXPCS大基站項(xiàng)目由于最大輸入信號(hào)小于-44dBm，考慮到放大器 13dB左右增益，我們選取了ATF34143 場(chǎng)效應(yīng)管它的增益可達(dá)15dB，OIP3為30dBm左右。