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了解单边低噪声放大器的设计

发布时间：2023-12-18 21:09:00 丨 浏览次数：521

　　m6米乐平台 米乐官方网站m6米乐平台 米乐官方网站在接收器应用中，信号链中的第一个放大器对整个系统的噪声性能具有主导作用。该放大器应具有尽可能低的噪声系数，同时提供可接受的高功率增益。因此，这种低

　　在本文中，我们将学习如何根据这些要求设计单向LNA。我们将首先探索如何在RF应用中指定双端口网络的噪声参数，然后设计一个能够实现特定增益和特定噪声水平的单向放大器。最后，我们将使用本系列上一篇文章中介绍的RF设计软件对我们的设计进行测试。

　　正如我在噪声系数度量中详细讨论的那样，电路的输出噪声在很大程度上取决于其源阻抗。同时，连接到源导纳YS=GS+jBS晶体管的噪声系数（F）由以下方程给出：

　　从这个方程中我们可以看到F如何随着源导纳（YS）而变化。观察到当YS=Yopt时，噪声因子降低到其最小值Fmin。

　　Fmin、RN和Yopt的量称为晶体管的噪声参数。我们不计算这些参数，而是由制造商给出或通过测量获得。Fmin有时以dB为单位表示为NFmin，它随着晶体管的偏置点、温度和操作频率而变化。RN参数是一个灵敏度因子，表明噪声因子随着源导纳远离Yopt而增加的速度。

　　在低频时，Yopt是实数，但对于大多数有源器件，在50至100 MHz以上，它变成了一个复数值。对于任何给定的双端口网络，我们可以找到一个使噪声系数最小的Yopt值。请注意，方程1中没有出现S参数。事实上，器件的S参数没有为我们提供任何有关其噪声性能的信息。

　　如前所述，F是噪声系数。它以线性形式表示。噪声系数缩写为NF，是转换为dB的噪声系数。因此，F和NF之间的关系可以表示如下：

　　在实践中，确定NF对源阻抗的依赖性需要专门的噪声测量设备。该设备使用短截线调谐器向设备施加一系列复杂的阻抗，然后对这些测量值进行分析，以在ΓS平面上产生恒定的NF轮廓。

　　图1显示了假设设备的恒定NF轮廓。正如我们稍后将更详细讨论的那样，这些轮廓是圆形的。

　　图1.史密斯圆图显示了假设设备的NF轮廓，展示了驱动点阻抗对噪声系数的影响。图片由D. Boyd提供

　　(Γopt)或其关联的最佳源反射系数（Γopt）。参数Yopt和Γopt由以下方程式相关联：

　　请注意，放大器的负载反射系数（ΓL）没有出现在方程4中。由此我们可以看出，输出匹配对噪声系数没有任何影响。然而，匹配的输出可以提供更多的增益，并减少后续级噪声的影响。

　　放大器的增益和噪声性能之间通常存在权衡关系——在最大增益下无法实现最小噪声。

　　为了在给定的噪声系数（F）下绘制恒定的NF圆，我们首先找到噪声系数参数（N）。这由下式给出：

　　让我们绘制这个晶体管在NF = 2 dB、2.5 dB和3 dB时的常数NF圆。表2总结了所需的计算。请注意，我们的方程式使用F，而不是NF，所以我们不能直接将噪声系数值代入方程式。相反，我们必须将它们从分贝测量值转换为表示噪声系数的线性项。

　　请注意，恒定噪声圆圈的中心位于从史密斯圆图中心到点Γopt的直线）。在Γopt处，我们得到NFmin = 1.6 dB，噪声圆圈转变为一个点。随着噪声系数的增加，圆圈的中心向原点移动，其半径变大。

　　在ΓS 平面中绘制恒定的 NF 圆，可用于找到给定噪声系数下的适当源端接。为了同时考虑噪声和增益，我们还需要在ΓS 平面中绘制增益轮廓。在单边器件的情况下，这是很简单的，其中输入和输出匹配部分的增益是相互独立的。我们将在下一篇文章中介绍双边 LNA 的设计。

　　使用前一个示例中的晶体管，让我们设计一个具有2.5 dB噪声系数和最大可能增益的放大器。

　　该晶体管具有较小的S12，表明它可能被视为单向的。应用单向品质因数（U），我们得到：

　　由于U小于0.1，我们立即知道单边方法的误差小于±1 dB。因此可以应用单边方法。我们还可以计算出单边近似误差界的确切值。计算结果为：

　　这使我们能够为我们的恒定增益圆选择合适的值。在这个例子中，我任意选择了绘制GS = 0.5、1、1.28和1.4 dB的圆。这些恒定GS圆的中心和半径如表3所示。

　　在ΓS = 0.45 ∠ 169.17度时，GS = 1.28 dB增益圆仅与NF = 2.5 dB的噪声圆相交。任何更高的GS值都会使我们远离Γopt，从而导致更大的噪声系数。

　　接下来，我们使用Z Smith图来设计输入和输出匹配网络。对于输入匹配部分，我们在图4的Smith图中定位ΓS，并通过沿恒定ΓS圆旋转180度找到其关联的归一化导纳（yS）。

　　图4.恒定的ΓS圆。圆上的重要点用蓝色标记。图片由Steve Arar提供

　　从现在开始，我们将史密斯圆图解释为Y史密斯圆图。我们需要一个电路，从位于50Ω终端的圆图中心到yS。恒定ΓS圆与1 + jb圆的交点标记为点A，其电纳约为j1。

　　在设计双端口网络的输入匹配部分时，我们在50Ω终端上添加了一个长度为l1=0.125λ的并联开路短截线。然后，我们添加了一个长度为l2=0.103λ的串联线路，沿着恒定的ΓS圆到yS。

　　输出匹配部分可以以类似的方式设计。如图5所示，输出匹配网络需要长度为l3=0.157λ的开路短截线的值。图片由Steve Arar提供

　　回想一下，以#标记开头的选项行包含标题信息。此标题信息指定了S参数的频率单位和数据格式。选项行中的术语“R 50”表示S参数的负载终端电阻为50Ω。以！符号开头的行是注释行。

　　请注意，模拟温度设置为16.85°C，以确保噪声系数测量与IEEE对噪声系数的定义一致。计算机分析表明，我们设计的电路增益为12.466 dB，噪声系数为2.522 dB。这些数字与我们的设计规格非常接近。