低噪聲放大器設(shè)計指南

3.2、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（3）所示，式（3）可以化成一個圓的表達(dá)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(jìn)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：

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(jìn)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(qiáng)，反饋量達(dá)到一定強(qiáng)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(qiáng)。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(qiáng)，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

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MES FET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α，反向功率衰減為β，且α≥1，β>1。則

Γ₀為加隔離器前的反射系數(shù)，Γ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：
(1) 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；
(2) 反向隔離度并不要求太高；
(3) 正向衰減只需保證工作頻帶之內(nèi)有較小衰減，以免影響整機(jī)噪聲系數(shù)，而工作頻帶外，則沒有要求。
(4) 隔離器本身端口駐波比要小。

3）穩(wěn)定衰減器

Π 型阻性衰減器是一種簡易可行的改善放大器穩(wěn)定性的措施，通常接在低噪聲放大器末級輸出口，有時也可以加在低噪聲放大器內(nèi)的級間，由于衰減器是阻型衰減，不 能加在輸入口或前級的級間，以免影響噪聲系數(shù)。在不少情況下，放大器輸出口潛在不穩(wěn)定區(qū)較大，在輸出端加Π型阻性衰減器，對改善穩(wěn)定性相當(dāng)有效。

3.3、電路中需要注意的一些問題

一般對于低噪聲放大器采用高Q值的電感完成偏置和匹配功能，由于電阻會產(chǎn)生附加的熱噪聲，放大器的輸入端應(yīng)盡量避免直接連接到偏置電阻上。

用 于低噪聲放大器的印制板應(yīng)具有損耗小，易于加工，性質(zhì)穩(wěn)定的特點，材料的物理和電氣性能均勻（特別是介電常數(shù)和厚度），同時對材料的表面光潔度有一定要 求，通常我們可以采用以FR-4（介電常數(shù)4~5之間），為基片的板材，如電路要求較高可采用以氧化鋁陶瓷等材料為基片的微波板材，在PCB布板中則要考 慮到鄰近相關(guān)電路的影響，注意濾波、接地和外電路干擾問題設(shè)計中要滿足電磁兼容設(shè)計原則。

4、目前低噪聲放大器方面的設(shè)計手段。

目前低噪聲放大器的設(shè)計普遍采用CAD的方法進(jìn)行仿真，國內(nèi)較流行的有EESOF、MWOffice ADS等軟件。相對而言Agilent 公司的ADS 功能強(qiáng)大、簡明直觀應(yīng)用范圍較廣，我公司的LNA基本上都采用了ADS進(jìn)行了仿真效果良好。

5、目前同行業(yè)低噪放的發(fā)展水平

隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，低噪聲放大器的性能不斷提高，采用PHEMT 場效應(yīng)晶體管的低噪聲放大器的在800MHz 頻段噪聲系數(shù)可達(dá)到0.4dB,增益約17dB左右，1900MHz頻段噪聲系數(shù)可達(dá)到0.6增益為15dB左右。