波段低噪声放大器的能优化设计及版图实现设计92882990.doc

本科毕业设计（论文）P波段低噪声放大器的性能优化设计及版图实现VIII西南科技大学本科生毕业论文毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它P波段低噪声放大器的性能优化设计及版图实现摘要：随着社会的发展，无线通信已经深入到人们生活的各个方面。低噪声放大器作为无线通信系统前端的重要部件之一，近年来逐渐成为射频研究的热点。本文首先介绍了低噪声放大器设计的理论基础，并给出了几种用于低噪声放大器设计的电路形式，对比它们的优缺点之后，选择使用负反馈网络的电路形式来完成本次设计。在此基础上，设计出了一个工作频率在P波段低噪声放大器的设计。 首先，采用负反馈技术并运用软件ADS(Advanced Designed System)设计出一个单级的P波段低噪声放大器，优化修改放大电路后，仿真结果并没有达到期望的指标要求。随后修改设计方案，在单级低噪声放大器的基础上再级联一个稳定的低噪声放大器，构成两级低噪声负反馈放器，并在输出端口加入衰减网络，以降低级联产生的高增益。最终实现在工作频段0.231GHz内，增益为20dB，驻波比小于1.6，噪声系数小于4dB。该设计原理图仿真和联合仿真结果性能良好，实现了预期的设计指标要求。 关键词：低噪声放大器； P波段； 负反馈； 衰减P Band Low Noise Amplifier Performance Optimization Design and Map ImplementationAbstract：With the development of the society, wireless communication has deep into many aspect of human daily lifeLow noise amplifier, as one of the most important part of the wireless communication system, has gradually become a research focus in recent years. This paper first introduces the theoretical basis of the low noise amplifier design, and gives several circuit from for low noise amplifier, after comparing their characteristics, choose to use negative feedback network circuit form to complete the design. On this basis, the operating frequency in P-band low noise amplifier has been designed. First of all, we use software ADS( Advanced Design System) to design a single stage amplifier with the negative feedback technology, then measure and debug it to get the measured data, but we found the single stage low-noise amplifier with negative feedback cant achieve the desired requirements. Afterwards we modify the design, by cascading the stable single-stage low noise amplifier based on a negative feedback network to constitute the two stage low-noise negative feedback amplifier, and add an attenuation network at the output. Eventually, in the 0.23GHz to 1GHz operating frequency, the low noise amplifier approaches the designing indicator with a gain of 20dB, and the VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) is less than 1.6，and the noise figure is less than 4dB. The performance of simulation and co-simulation results is good, the desired design requirements is achievedKey words: low noise amplifier, P band, negative feedback, attenuation 目录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 低噪声放大器的研究意义11.2 低噪声放大器的发展11.3 低噪声放大器的研究现状11.4 本文主要内容2第2章 低噪声放大器的设计理论基础32.1 低噪声放大器的特点32.2 低噪声放大器的主要技术指标32.2.1 噪声系数和噪声温度32.2.2 低噪声放大器的功率增益与增益平坦度42.2.3 端口驻波比82.2.4 非线性特性82.2.5 动态范围92.3 稳定性92.4 本章小结11第3章 低噪声放大器的设计123.1 低噪声放大器设计的一般步骤123.2 低噪声放大器的一般结构123.2.1 单级低噪声放大器的一般结构123.2.2 两级低噪声放大器的一般结构133.3 低噪声放大电路的比较133.4 负反馈网络143.4.1 负反馈网络的理论分析143.4.2 负反馈网络的分类163.5 阻抗匹配理论173.5.1 集总参数元件匹配网络的设计173.5.2 分布参数元件匹配网络的设计183.6设计指标与器件选择213.6.1 拟实现的各项指标213.6.2 晶体管的选择213.6.3 电阻、电容及基板材料的选择233.7 本章小结23第4章 单级低噪声放大器的仿真设计244.1 直流偏置网络的设计与仿真244.2 负反馈网络的设计与仿真284.3 输入、输出匹配网络304.3.1 输入匹配网络304.3.2 输出匹配网络334.4 本章小结35第5章 两级低噪声放大器的仿真设计365.1 衰减网络的设计与仿真365.2 两级低噪声放大器的仿真375.3 匹配网络的实现405.4 两级低噪声放大器的版图实现415.5 本章小结42结论43致谢44参考文献45附录147附录255西南科技大学本科生毕业论文第1章 绪 论1.1 低噪声放大器的研究意义 低噪声放大器的主要作用就是把天线从空中接收到的微弱信号放大，减少噪声干扰，以供系统解调出我们所需要的信息数据。现在人们对各种无线通信工具的要求也越来越高，例如要求功率辐射要尽可能小，作用距离要尽可能远、覆盖范围要尽可能广等，这就对通信系统的灵敏度提出了更高的要求。因此，位于射频接收系统前端的LNA的优劣直接影响接收机的整体性能1。 低噪声放大器广泛地运用在无线电通信系统的前端，放大接收某一频率范围的有用信号。因此，掌握相关的软件仿真技术以及电路版图的实现方法，具有实际的工程价值。1.2 低噪声放大器的发展随着信息社会信息量的快速增长，宽频带、高频率、高传输速率已成为移动通信系统的发展趋势，也是当今移动通信技术研究的热点之一2。 宽带技术是一种无线载波通信技术，具有传输速率高，抗干扰能力强，功耗小，结构简单，保密性好等一系列优点。 宽带技术应用十分广泛，无线局域网，智能交通系统等民用通信领域和雷达跟踪，精确定位，成像等军事领域都拥有巨大的市场。 宽带低噪声放大器(Wide Band Low Noise Amplifier,WBLNA)设计的主要困难在于要在较大的频带范围内，实现较低的输入输出损耗、较高的增益及平坦度、较低的噪声系数。 同时，随着微波晶体管向着低噪声，高频率，高效率及大功率发展，为了满足产品功能要求越来越多样化，产品的设计周期越来越短，产品尺寸要求也越来越小，微波晶体管发展的同时微波仿真软件也在迅速发展，以辅助设计人员更好的设计。未来微波低噪声放大器的研究重心将会转向更低的噪声系数，更宽的工作频带，更高的工作频率，同时集成化和标准化发展也是发展趋势2。 1.3 低噪声放大器的研究现状 对于宽带低噪声放大器来说，除了正向增益不可能保持常数之外，还存在一些问题，如：输入、输出反射系数随频率而改变输入，高频时噪声系数将会恶化，驻波比差等。同时，扩展带宽的主要方法就是频率补偿匹配网络和负反馈技术。目前，国内对于这种宽带放大器的研究还不是很多，相比之下，国外对于这方面的研究就多得多。 随着半导体技术的不断发展，单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)逐渐成为了人们的研究热点。比如Mingqi Chen, William Sutton, IouliaSmorchlova, Benjamin Heying4等人就是运用这种技术，完成首个没有运用分布式放大器电路结构而完成频率为125GHz低噪声放大器的设计。放大器性能为：在整个带宽内增益大于13dB，噪声系数小于4.6dB，输入、输出反射系数都小于-10dB。放大器是MMIC开发得最活跃、取得成果最多的一个领域5。现在，MMIC已成为高科技电子系统的重要支柱，不仅军事上应用广泛，在无线通信、全球定位系统、个人卫星通信网等民用方面也拥有巨大的市场68。 目前，国内的低噪声放大器研制水平与国外的一些发达国家相比，还有一些差距，主要是体现在制作工艺方面，国内很多优秀企业和科研机构在产品的设计思想和方法上，也已具有较高的水平9。1.4 本文主要内容 本文以低噪声放大器的基础理论为基础，通过对低噪声放大器的各项性能指标和设计方法讨论分析，采用负反馈的方法分别设计了一个单级和双级的P波段的低噪声放大器，最后再进行版图设计。本文主要由五个章节构成，各章节的主要内容如下：第一章 ，简要地介绍了低噪声放大器的研究意义、发展趋势以及研究现状。 第二章，对低噪声放大器设计的理论基础进行了简要的叙述，包括噪声系数、驻波比、稳定性等。第三章，详细地给出了低噪声放大器设计的一般步骤和实现的电路形式，并着重分析了负反馈网络，确定选择负反馈网络作为此次设计的电路形式，接着，讨论了输入、输出阻抗匹配问题。最后，根据设计指标选择晶体管、电阻和基板材料等。第四章，结合低噪声放大器的理论知识，运用ADS软件设计了一个单级低噪声放大器，仿真并调试后得出结果，发现不能增益满足设计指标。第五章，分析结果，寻找解决方法。然后改变设计方案，在单级低噪声放大器的基础上在级联一个低噪声放大器，构成双级低噪声放大器，并在输出端口连接一个衰减网络，仿真并调试后得出最优结果，结果满足要求。接着，对双级低噪声放大器进行版图设计，并进行原理图-版图联合仿真，最终结果基本上满足设计指标。第2章 低噪声放大器的设计理论基础2.1 低噪声放大器的特点 低噪声放大器是射频接收机前端的部件，它主要有以下四个特点： （1）首先，低噪声放大器位于接收机的最前端，噪声要尽可能小，增益要稳定且适当。（2）其次，接收的信号很微弱，而且具有可变性；低噪声放大器是小信号线性放大器，它的线性动态范围大，增益要求能够自动控制。 （3）然后，通过传输线直接和天线或天线滤波器相连。（4）最后，放大器应具有一定的选频功能，以抑制带外和镜象频率的干扰。2.2 低噪声放大器的主要技术指标低噪声放大器的性能主要包含噪声系数、稳定性、合理的增益和输入输出驻波比等。 2.2.1 噪声系数和噪声温度噪声系数（Noise Figure，NF）是在通信系统中衡量电子电路和系统噪声性能的一个重要参数。噪声系数定义如下：（2-1）在上式中，和分别为输入端的信号功率和噪声功率，和分别输出端的信号功率和噪声功率。噪声系数通常用分贝数表示 （2-2）单级放大器的噪声系数计算公式为：（2-3）其中，为晶体管最小噪声系数，由放大器的管子本身决定。多级低噪声放大器的噪声系数计算公式为：（2-4）其中，为第n级放大器的噪声系数；为第n级放大器的增益。 在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小（例如NF<1）的情况下，用噪声系数表示很不方便， 常用噪声温度来表示：（2-5）式中，K为玻尔兹曼常量1.38J/K；为有效温度，单位为K；B表示带宽，单位为Hz。噪声温度与噪声系数的换算关系为： （2-6）其中，为放大器的噪声温度；=290K；NF为放大器的噪声系数。2.2.2 低噪声放大器的功率增益与增益平坦度 1、S参数 一个线性网络可以用它的端口参数来描述其特性，而不必知道起内部结构；在射频和微波频段使用最多的是S参数；S参数是基于入射波和反射波之间关系的参数；S参数在频段内很容易测量，特别适用于微波段的系统设计8。图2-1为双端口微波网络。图2-1 双端口微波网络 运用叠加原理可写出参考面上反射波电压与入射波电压关系的网络方程为：（2-7） 它们的定义是 是当双端口网络在输出口匹配时，输入口的反射系数； 是当输入口1匹配时，输入口的反射系数； 是当输出口2匹配时，输入向输出的正向传输系数； 是当输入口1匹配时，输出向输入的反向传输系数。2、二端口功率增益的定义 一个双端口网络它的两个端口分别接信号源和负载，必须用4个S参数来描述入射波和反射波之间的关系，即输入端口和输出端口的反射系数，输入口向输出口的正向传输，以及输出口向输入口的反向传输。如图2-2为双端口网络S参数。图2-2 双端口网络S参数 以特性阻抗为参考，可以将各端口的阻抗均用反射系数来表示。在图2-2中，信号源端有 （2-8）网络输入端有（2-9）网络输出端有（2-10）负载端有（2-11）网络输入功率为（2-12）为网络输入端电压，代入和式（2-11），得（2-13）输入端电压与信号源分压后，关系为（2-14）代入用反射系数表示的和,则有（2-15）将式（2-15）代入式（2-13）可得（2-16）同理，负载上得到的功率为 （2-17）将式（2-7）和（2-15）代入后可得（2-18）因而工作功率增益可表示为 （2-19） 如果源阻抗和输入阻抗共轭匹配，则可以传送到网络的最大功率可以由来自源的可用功率表示。（2-20）同理，来自网络的可用功率是可以传送到负载的最大功率。（2-21）所以可得出可用功率增益为（2-22）同时转换功率增益为 （2-23） 当输入和输出都匹配时，即零反射（不同于共轭匹配），这时产生变换功率。这时，式（2-23）简化为 (2-24) 这些功率的定义对输入网络匹配的优化非常重要。同时，根据经验，对比这些参数来计算不同的功率增益是完成一个成功的设计所必需。3、增益平坦度 放大器的增益平坦度表示放大器在其频率范围内的增益的起伏，计算方法如式（2-25）：（2-25） 在式（2-25）中，、分别为增益频率扫频曲线的幅度最大值和幅度最小值。图2-3 增益平坦度示意图2.2.3 端口驻波比 驻波比（VSWR）表示放大器端口与系统特性阻抗（)的匹配程度。定义如式 (2-26)所示。 (2-26)其中， ：输入或输出端的实际阻抗 ：特性阻抗 对于低噪声放大器，最重要的两个指标是低噪声和高增益，所以在设计低噪声放大器的时候，输入匹配网络通常都是按照最小噪声系数进行匹配的，因此驻波比就会偏离最佳的共扼匹配状态；另外，由于微波晶体管有自身增益大约以每倍频程下降6dB的特性，所以低噪声放大器的设计中，经常会采用低频端失配的方法来抑制低端的增益，来保持工作频带内的增益平坦度，因此端口驻波比通常会随频率的降低而升高11。因此低噪声放大器的设计总是是在噪声系数与驻波比也就是功率增益之间权衡。2.2.4 非线性特性衡量放大器非线性特性通常有两个指标，一个为1dB压缩点，另一个就是三阶互调截点IP3(Third-order intercept point)。如图2-4所示，在低功率时，放大器的输出功率随输入功率线性增加，放大器的功率增益是一个定值，所以称为线性增益，随着输入功率的继续增加，放大器进入非线性区，其输出功率不再岁输入功率增而增加，实际增益相对线性增益就开始减小，当减小到低于线性增益1dB时的输出功率就定为输出功率的1dB压缩点Error! Reference source not found.。图2-4 非线性特性 当两个频率比较接近的信号输入到放大器时，由于器件的非线性会产生很多组合频率分量，这些频率分量有可能会落在放大器的工作带宽内，对基带信号形成干扰，通常起支配作用的是最接近有用频率的三阶分量。常用三阶截点（IP3）来表征互调畸变。2.2.5 动态范围放大器所接收到的信号强弱是变化的，它的有效性决定于它的动态范围。放大器的动态范围是指放大器输入信号所允许的最小功率和最大功率的范围。噪声性能限制动态范围的下限，输入信号功率允许最小值是： (2-27)式中,表示微波系统的通频带；表示玻尔兹曼常数；表示微波系统所允许的信号信噪比；表示环境温度。2.3 稳定性放大器内部通常存在着与频率有关的反馈量S12，而反馈系统必然会引起稳定性问题。因此在放大器电路设计中，首先就要保证晶体管在给定的直流偏置和在工作频段内稳定。放大嚣的稳定性问题分为两大类：一类称为无条件稳定或绝对稳定，在这种情况下，对于所有的无源负载和信号源阻抗，放大器都能稳定地工作；另一类称为潜在不稳定或有条件稳定，在这中情况下，负载阻抗和信号源阻抗不能任意选取，要有一定的限制，否则放大器不能稳定工作。一个微波射频晶体管绝对稳定的条件是 (2-28) (2-29) (2-30)其中，；K称为稳定性判别系数。K>1是稳定状态。只有当3个条件都满足时，放大器才能满足绝对稳定。实际设计时，为了使低噪声放大器能够稳定地工作在频带范围内，还必须使放大器远离潜在不稳定区。而对于潜在不稳定放大器，存在两种方式来避开。（1） 引入电阻匹配元器件；（2） 引入负反馈。实际设计中，有以下三种方法可以改善微波晶体管的自身稳定性。（1）串接阻抗负反馈 通常是在场效应管的源极或晶体管的射级串联一个电阻或者电感，电感有时会用微带线来代替，构成一个负反馈网络，增强电路稳定性，有时也可以适当地减小输入、输出驻波比。 （2）用铁氧体隔离器 使用铁氧体隔离器改善稳定性，要求隔离器的频带必须足够宽，以覆盖不稳定频率范围，而且对隔离器频带内的正向衰减和端口驻波比也有一定的要求，再加上铁氧体一般体积较大，考虑到占用空间的问题，所以使用的范围也受到了一定的限制13。 （3）纯阻性衰减网络型纯电阻衰减器是由电阻元件构成的一个提高电路稳定性的方法。衰减器通常要加在放大器的末级，以避免增大低噪声放大器的噪声系数。此外，衰减网络还可以改善输出驻波比。2.4 本章小结这一章主要介绍了低噪声放大器设计主要技术指标，包括它们的定义和计算公式等等，如噪声系数，功率增益，S参数，驻波比等，这些参数之间相互联系又相互制约，在设计低噪声放大器时，需要根据指标的要求进行取舍和权衡，最终确定最优化的设计方案。重点介绍了低噪声放大器稳定性的判别，以及它们的适用条件。第3章 低噪声放大器的设计3.1 低噪声放大器设计的一般步骤 低噪声放大器设计的一般步骤如图3-1所示。图3-1 低噪声放大器一般设计步骤3.2 低噪声放大器的一般结构3.2.1 单级低噪声放大器的一般结构单级低噪声放大器的一般结构如图3-2所示。由图3-2可知，一个单级低噪声放大器由四个主要部分组成：输入匹配网络、微波晶体管、输出匹配网络和直流偏置。通常，输入端网络匹配是按照最小噪声来设计的，输出匹配网络是按照最大增益来设计，直流偏置电路是为了给放大器提供适当稳定的工作点，使之能够稳定正常的工作在放大区，它的选择对驻波比、噪声系数和增益也有较大的影响。图3-2 单级低噪声放大器结构示意图3.2.2 两级低噪声放大器的一般结构两级低噪声放大器的模块如图3-3所示。图3-3 两级低噪声放大器结构示意图运用微波晶体管的级联主要是为了扩大增益和扩展带宽。第一级放大电路是根据最小噪声来设计，第二级放大电路是根据最大增益来设计。两级低噪声放大电路必须要进行级间匹配，一般是将第一级的输出阻抗和第二级的输入阻抗都匹配到50上。级联放大器增加了电路的复杂性，需要对单个电路的指标进行局部优化，再综合在一起进行整体优化。3.3 低噪声放大电路的比较由于P波段频率范围是0.231GHz,就相当于设计一个宽带低噪声放大器。设计低噪声放大器首先要根据指标要求确定放大器的电路形式。设计宽带低噪声放大器时，要求在较宽的频带范围内满足良好的噪声匹配和良好的驻波匹配；另外，|S21|会随频率以 6dB/倍频程的速率下降，为了实现宽带放大，一般就是通过压低低频段增益来对增益的滚降特性进行补偿；但是，压低宽频带内低频段增益肯定会使驻波比变差，此外，噪声性能也会受到一定的影响。常用的宽频带放大器的电路结构大体上有以下五种形式：平衡式放大器、反馈式放大器、有损匹配式放大器、分布式放大器、有源匹配式放大器，将各种电路形式比较如表3-113。表3-1 宽带放大电路的性能比较性能电路形式平衡电路负反馈有损匹配行波电路有源匹配频带宽度倍频程多倍频程多倍频程非常宽多倍频程电路尺寸较大较小中等中等中等阻抗匹配优良较差良良噪声系数低中高低低电路允许公差大中大中中多级相联容易不易不易容易不易FET数量中少少多中输出功率线性度好较好中较好较好有损匹配网络的噪声系数很高，不满足低噪声放大电路对噪声系数的要求。相比之下，有源匹配电路的各项性能、指标都很好，但是多级相联不易，也是仅适合于单片集成电路或无封装管芯电路的一种电路型式。平衡放大电路的可以对晶体管进行低噪声匹配设计，而不用考虑驻波比，这种放大器的增益带宽与单级放大器相比没有提高，并且这种放大器由于有相移网络的存在非常复杂，而且它的带宽主要受限于相移器的带宽。对于行波放大电路电路尺寸中等，此外，需要的FET数量多，成本价格很高。负反馈放大电路通过降低放大器增益，改善放大器的稳定性、改善非线性失真、平坦增益度以及扩展通频带；但同时由于负反馈的引入，会增加系统的噪声系数。不过由于负反馈网络结构简单，价格便宜，易于加工，最后我们选择使用负反馈网络来实现扩展带宽。3.4 负反馈网络 3.4.1 负反馈网络的理论分析 在放大电路引入负反馈之后，除了是闭环增益下降之外，还会影响放大电路的许多性能，如改善增益的稳定性、改善非线性失真、抑制反馈环内噪声等。负反馈放大器的基本原理图如图3-4所示。 图3-4 负反馈放大器的基本原理图晶体管负反馈电路简化模型如图3-5所示。 图3-5 负反馈电路简化模型在图3-5中忽略栅源电容的影响，则电路的导纳矩阵为： （3-1）相对应的S参数分别为(3-2)(3-3)(3-4)其中为特征阻抗，为负反馈电阻。由式（3-3）可知，此时负反馈电阻 影响着负反馈放大器的增益，而与频率无关了。这样便可认为是扩展了带宽，获得了平坦的增益。3.4.2 负反馈网络的分类根据反馈网络在放大电路的输入端的连接方式，负反馈放大器可以分为两种：串联负反馈和并联负反馈。对共射极放大电路，若反馈引回到基极，则是并联负反馈；若引回到发射级，则是串联负反馈。对运算放大电路，反馈信号加在同一输入端，则为并联负反馈；反馈信号分别加在两个输入端，则为串联负反馈。以JFET为例，串联负反馈如图3-6，并联负反馈如图3-7。图3-6 串联负反馈图3-7 并联负反馈 虽然串联负反馈放大器很难设计、优化,但却可以获得最小的噪声系数,具有极大的吸引力。因此,该技术还是被广泛地运用到了宽带低噪声放大器的设计当中。并联负反馈可以减小晶体管两端口S参数的S11和S22的幅度，使得宽带匹配更容易实现,提高增益平坦度,尤其能够增强低频稳定性12。3.5 阻抗匹配理论 为了让放大器从信号源获得最大的功率，需要在其输入端进行共轭匹配，即匹配网络的输入阻抗应等于信号源阻抗的共轭；为了让放大器向负载传输最大的功率，需要在负载端进行共轭匹配，即匹配网络的输出阻抗等于负载阻抗的共轭15。低噪声放大器的设计，要想获得较小的噪声系数和较高的功率增益，就必须对输入、输出端口进行合理的阻抗匹配。对应不同的工作频率，匹配网络也有着不同的电路拓扑结构，但各种匹配电路的基本原理还是相同的，即共轭匹配原理。表3-2给出了一些基本匹配电路的原理和特性。表3-2 基本匹配电路的原理和特性匹配网络元件类型工作频带网络灵活性网络复杂度设计方法L网络集总元件窄小低圆图或解析T和网络中中中梯网络宽高高综合单枝节分布参数窄小低圆图双枝节中中中滤波器理论宽高高综合1/4波长变换器窄无低解析多节变换器宽中高综合渐变线宽高高解析混合型集总元件 分布参数窄带宽高低到高圆图或解析3.5.1 集总参数元件匹配网络的设计在射频的低端频段，通常使用电容和电感实现阻抗匹配电路。当频率较低时，采用集总参数的匹配电路是一个合适的选择。能实现匹配功能的分立元件网络很多，既可以选用简单的双元件L形匹配网络，也可以选用匹配性能更好但结构更复杂的多元件匹配网络，如三元件的T形网络和形匹配网络17。其中L型匹配网络因其只有电感和电容，故它的电路结构最简单，性能也比较可靠，而且它的成本也是最低的。如图3-8所示，根据两种元件连接方式，L型匹配电路可以组成八种不同的电路结构。另外在选择匹配电路的时候还要考虑到元件的标称值，电容电感组合产生的频率特性，直流偏置以及电路尺寸布局的许可等因素。图3-8 L型匹配电路的8种形式3.5.2 分布参数元件匹配网络的设计 随着频率的提高，波长不断减小，集总元件的寄生参数效应越来越明显。当波长与元器件尺寸或电路尺寸相当时，可以采用分布参数元件来匹配网络，分布参数元件是在主传输线上串联一段传输线或并联枝节构成。所以，分布参数匹配电路一般用于工作频率较高的电路系统中。1、单枝节匹配 单枝节匹配就是在主传输线上并联一个枝节，用枝节的电纳抵消其接入处主传输线上的电纳，来达到匹配。单枝节可以是终端开路，也可以是终端短路，单枝节短截线匹配电路拓扑结构如图3-9所示，图3-9(a)为负载先与短截线并联后再与一段传输线串联，图3-9(b)为负载与传输线串联后再与短截线并联。（a）负载先与短截线并联 （b）负载与传输线串联图3-9 单枝短截线匹配电路拓扑结构2、双枝节匹配单枝节的优点是简单，缺点是枝节的位置需要调节，这对于有些电路来说是困难的，解决办法就是采用双枝节匹配，使两个枝节的位置固定不变，只调节枝节的长度，通过调节枝节的长度来达到匹配。双枝节短截线匹配电路拓扑结构如图3-10所示。图3-10 双枝短截线匹配电路拓扑结构图3-10所示的双枝节短截线匹配电路中，一段固定长度的传输线两端并联了两段开路或短路的短截线，的长度通常采用1/8、3/8或5/8个波长。3、阻抗变换器 阻抗变换器应在电压波腹或电压波谷处接入。如图3.11所示，在输入阻抗和负载阻抗之间串联一段传输线就可以实现阻抗变换。图3-11 阻抗变换器 其中，中间传输线的长度为相应波长的1/4，特性阻抗由负载阻抗和输入阻抗共同决定，即：（3-5）假设输出阻抗为纯电阻，即 (3-6)则有：(3-7) 如果负载不是纯电阻，则可以先将负载转换成纯电阻之后再进行匹配。由于这种匹配电路和波长有关，所以一般阻抗变换器的工作频带较窄，若想增加工作带宽，可以采用多级阻抗变换器串联的方式。随着串联个数的增加，这种多节阻抗变换器就进一步演化为渐变线型阻抗变换器。3.6设计指标与器件选择3.6.1 拟实现的各项指标 低噪声放大器的主要性能指标包括：增益、噪声系数、工作频段、输入输出驻波比等，在这些指标之中噪声系数和增益对系统性能的影响较大。 本低噪声放大器应用于某无线接收机射频前端，所需指标如下： 1、工作频率范围为0.231GHz 2、中心频率为615MHz 3、噪声系数NF4dB 4、增益为20dB 5、端口驻波比VSWR1.63.6.2 晶体管的选择 选择合适的晶体管是设计性能良好的低噪声放大器的基础。选取晶体管时，必须要关注它的整体性能，如最大可用增益、最小噪声系数、动态范围以及输入、输出反射系数。本设计的频率范围是0.231GHz，有770MHz的工作带宽，属于宽带放大器。在综合考虑功率增益、噪声系数、S参数等指标后，我们选择了NXP半导体公司生产的型号为 BFU630F的 NPN wide-band silicon RF transistor。选择这个管子主要考虑它在要求频带范围内能正常工作，并且在要