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摘要本文设计了一个1-4GHz 宽带低噪声放大器。从低噪声放大器设计的基础理论出发，给出了几种用于宽带低噪声放大器设计的电路形式，比较他们的特性，选择使用负反馈网络的电路形式来完成本次设计。最后系统和完整的给出了一个宽带低噪声放大器设计，仿真的全部过程。利用设计仿真软件 ADS 设计一个单级低噪声放大器，优化放大电路。然后设计成两级放大电路，第一级采用基于较小噪声的设计，在第二级添加负反馈网络，来扩展带宽，提高增益平坦度，对整个电路进行仿真，结果表明：在1-4GHz 内，增益大于20dB，噪声系数小于1.2dB，输入输出回波损耗大于 16dB，1dB 压缩点输出功率P1dB大于13dBm。30479
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毕业论文关键词 低噪声放大器 负反馈 宽带 匹配
Ti t l e Th e design of 1-4GHz broadband low noise amplifier
Abstract This paper shows the design of 1-4GHz broadband low noise amplifier.Firstlyit introduces the basic theory of the low-noise amplifier design, gives severalcircuit form for the design of broadband low-noise amplifier, and contrast theircharacteristics, choose to use the circuit in the form of negative feedbacknetwork to complete the design. On this basis, you will see the whole processof a broadband low-noise amplifier’s design, simulation.Firstly, we use software ADS to design a single stage low-noise amplifier .Inthe first level,the design is based on a low noise.In the second level,I usenegative feedback to broaden the bandwidth and improve gain flatness.Aftergetting the simulation results, in the 1GHz to 4GHz operating frequency, thelow noise amplifier approaches the designing goal with a gain of 20dB, the noisefigure is less than 1.2dB, input and output return loss is bigger than 16dB,and1dB compression point output power greater than 13dBm.
Keywords low-noise amplifier negative feedback broadband match
目次
1 绪论.1
1.1 宽带低噪声放大器的研究意义1
1.2 国内外宽带低噪声放大器的发展现状2
1.3 本文主要内容2
2 低噪声放大器设计理论基础.4
2.1 低噪声放大器的重要设计指标4
2.1.1 噪声系数与噪声温度5
2.1.2 低噪声放大器的功率增益5
2.1.3 反射系数与驻波比6
2.1.4 工作带宽与增益平坦度6
2.1.5 动态范围与1dB 压缩点6
2.2 本章小结7
3 宽带低噪声放大器的设计 8
3.1 低噪声放大器设计的一般步骤8
3.2 低噪声放大器的一般结构8
3.2.1 单级低噪声放大器的一般结构8
3.3.2 两级低噪声放大器的一般结构8
3.3 实现宽带低噪声放大器的几种电路形式9
3.4 负反馈网络的优劣分析.10
3.5 宽带阻抗匹配网络.10
3.6 本章小结.11
4 两级低噪声放大器的计算机仿真 .12
4.1 设计指标.12
4.2 晶体管的选择.12
4.3 直流工作点的仿真12
4.4 单级放大电路的仿真13
4.5 两级放大电路的仿真16
4.6 本章小结19
结论 .20
致谢 .21
参考文献 .22
1 绪论1.1 低噪声放大器的研究意义当今时代，微波与射频技术这个领域富有活力，越来越多的人进行探索研究。原因一是，先进电子仪器不断涌现而出，电子器件发展迅速；二是，人们对于通信能力需求的飞快增长， 不仅仅是数量方面， 从原先单一的通话需要， 到如今数据影像等各类通信的需要，而且质量方面也亟待提高。在此之前，微波技术的研究方面，绝多大数是国防工业占据着主导权。而近来，在民用方面，人们对移动电话、广播视频、有线及无线网络等通信业务的需求越来越大，这些原因将会完全改变目前的通信市场局面。这些应用系统随处可见，小到个人及家庭，大到政府基层设施，工厂生产等。需求的提高以及使用环境的多样性必然导致大批量的生产，人们追求更价廉物优的产品，大幅度降低了射频微波产品的制造成本。受此影响，射频微波业务的完成成本也随之降低，现在随处可见的 GPS导航系统就是其中之一。研究低噪声放大器的目的就在于此，目前而言，LNA 是这些无线设备必不可少的关键器件。它作用于移动、光纤通讯等接收设备的前端部分，它的各项指数如噪声、增益以及功率等影响着系统的性能，从而也决定着整体装置的优劣。所以，不断的深入探索低噪声放大器，也是发展通信设备的关键一步。另外，各类新材料不停涌现而出，半导体技术变得更加精湛，射频电路也变得更加多样化，它们滋生了许多新的产品，为了迎接它们带来的挑战，就必须一直缩减研究制作微波毫米波器件的时长，不停提高电路的集成度，让电子器件更加精致。而其中的关键点就是要不断缩短放大器的开发周期，研发出性能更加好的低噪声放大器[1]。1.2 国内外宽带低噪声放大器的研究状况在设计低噪声放大器方面，就现在来说，国内外还是有明显差距的，特别是在宽带LNA 的设计方面。而在窄带宽低噪声放大器的设计方面，因为单个频点或者多个频点的阻抗匹配比较容易实现，所以差距并不是很大。就国外而言，他们早在四五十年代就开始了对宽带低噪声放大器输入输出匹配阻抗的研究，所以技术比较成熟。而且随着技术水平的提高以及探索的深入进行，他们研发出了像 ADS,HFSS 这样的设计仿真软件，使得对于低噪声放大器的研究设计变得更加容易。 近年来， 像摩托罗拉和 SIRENZA 这样的公司，都研制出了很多款性能优秀的宽带低噪声放大器。虽然国内这方面理论曾经匮乏， 但是我国的学者们也没有停止追赶的步伐，一直在不断的提出阻抗匹配方面的新的算法。近年来，宽带无线通信技术发展迅速，国内也加快了研究的速度，关于宽带低噪声放大器结构的文献数量也一直在增多。 通信标准越来越多， 设计放大器的方法也越来越多样，在国内如江苏理工大学采用分布式放大器的结构设计的2-6GHz两级分布式超宽带低噪声放大器，有效地扩展了带宽和降低了噪声，中国电子科技集团使 PHEMT 放大器在全频段稳定工作，设计出 2.0-3.5GHz 单路宽带低噪声放大器，电子科技大学采用负反馈结构设计出工作频段在30MHz-1350MHz 内的宽带低噪声放大器，等等。国内还有很多名校企业也同样设计出了优秀的宽带放大器，在这里就不逐个说明了。放大器的大小不一，各种大小都有实现，甚至存在芯片放大器。不仅仅是算法的设计国外领先国内，在设计指标的设计方面，国外大部分也是更加优秀的，特别是噪声性能、增益与带宽的设计方面。然而，相同的是，国内外大多选择负反馈结构作为宽带低噪声放大器的电路形式。对于低噪声放大器的制造，不论是芯片还是板级放大器，国内外大多使用 SiGe工艺来完成，其原因就是此工艺制造出来的放大器噪声性能好而且投资成本低。对比一下，一个厂家假如使用全新的工艺，大概需要投资上亿美元，而在原有生产线的基础上添加SiGe工艺，仅仅需要上百万美元，成本差距之大可想而知，如此的低成本高收益吸引了众多的 IC 制造商。在国外，目前已有像 IBM、Atmel、Jazz、MaXim、TSMC、CHARTEREDSEMI、FREESCALE等十余家IC 制造厂可进行0.18μm~0.5μm 工艺水平的 SiGe.BiCMOS 代工业务，其中又以IBM、Atmel、Jazz、TSMC 几家较强。SiGe.HBT 的频率可大于 100GHz。国外的摩托罗拉、SMDI、Infineon、SiGe半导体公司等大的企业已经有了许多很成熟的产品。综上所述，尽管国外设计跟制造低噪声放大器的水平一向比国内要高，然而最近这些年，我们技术水平越来越高，差距正在不断缩小。我们也要看清现状，虽然国内跟国外设计制造低噪声放大器的技术越来越精湛，但依然存在很多问题，特别是对于宽带低噪声放大器的设计，不管是课本还是专业知识书，大部分都停留在数据计算方面，并没有进行更加深入的探讨。