增益和噪声系数设计
LNA 的一个常见设计要求是同时实现高增益和低噪声系数。 采用单向(Unilateral)或双向(Bilateral)器件的 LNA 的此类设计可以使用史密斯圆图,使用以下过程利用恒定增益和噪声系数圆来完成。
对于单向(Unilateral)器件
1. 在史密斯圆图上的 ΓS 平面上绘制恒定噪声系数和恒定传导(transducer)增益 (GS) 圆。 对于可能不稳定的器件,还要在同一个史密斯圆图中绘制输入稳定性圆。
2. 在史密斯圆图中选择 ΓS 或 ZS,以实现所需的噪声系数或噪声系数与 GS 之间的折衷。 对于潜在不稳定的器件,请确保所选的 ΓS 或 ZS 位于稳定区域内,并且距离输入稳定圈足够远。
3. 使用 下面的方程根据器件的 S 参数以及选定的 ΓS 或 ZS 值计算 Γout。
4.设计一个IMN(输入匹配网络)来实现ΓS或ZS。
5. 根据 ГL = Гout* 选择 ГL 或 ZL 以获得最大增益,并设计相应的 OMN(输出匹配网络)。 对于潜在不稳定的器件,还要在同一个史密斯圆图中绘制输出稳定圆,并确保所选的 ΓL 或 ZL 位于稳定区域内,并且距离输出稳定圆足够远。 如果不是,请重新选择 ΓL 或 ZL 以产生稳定性,同时考虑最终的增益和匹配。
对于双向(Bilateral)器件
1. 在史密斯圆图上绘制恒定噪声系数圆和恒定工作功率增益圆。 对于可能不稳定的器件,还要在同一个史密斯圆图中绘制输入和输出稳定性圆。
2. 在史密斯圆图中选择 ΓL 或 ZL,以实现所需的噪声系数或噪声系数与增益之间的折衷。 对于可能不稳定的器件,请确保所选的 ΓL 或 ZL 位于相应的稳定区域内,并且距离输出稳定圆足够远。
3. 根据 ГS = Гin* 选择 ГS 或 ZS。对于潜在不稳定的器件,请确保所选的 ГS 或 ZS 位于相应的稳定区域内,并且距离输入稳定圈足够远。 否则,必须使用不同的工作功率增益值,并选择相应的 ZL,从中确定 ГS = Гin* ,它必须落入输入稳定圆的稳定区域内,并充分远离该圆, 考虑放大器的增益和匹配可能下降。
4. 设计 IMN 和 OMN 分别实现 ГS 或 ZS 和 ГL 或 ZL。
上述双向器件的设计过程是基于工作功率增益的。 也可以使用可用增益来实现类似的过程。
设计示例
设计要求:
在 f=4 GHz 低噪声操作(Vce=10V,Ic=4mA)的偏置点处测量的 BJT 的散射和噪声参数为:
S11=0.552∠169°
S12=0.049∠23°
S21=1.681∠26°
S22=0.839∠-67°
和
Fmin=2.5dB
Гopt=0.475∠166°
Rn=3.5Ω
设计一个具有最小噪声系数的微波晶体管放大器。
设计过程:
对于该晶体管,可得出 K=1.012 且 |Δ|=0.419∠111.04°。 因此,晶体管在 4 GHz 下无条件稳定。利用下面的方程:
也可得出 GT,max=GA,max=14.7 dB,ГMs=0.941∠-154°, 且ГML=0.979∠70°。
Гs=Гopt=0.475∠166° 时获得 2.5 dB 的最小噪声系数。使用下面的方程计算出图1中 Fi=2.5 至 3 dB 的恒定噪声系数圆:
例如,Fi=2.8-dB圆的获得过程如下:
以及:
图 1中的增益等值线是Гs 平面中的可用增益圆,是使用下面的方程绘制的:
可以观察到,由于晶体管无条件稳定,所有可用增益圆圈完全位于史密斯圆图内。
图1显示,对于该晶体管,Fmin 对 Гopt 附近 Гs 的微小变化不是很敏感。事实上,当Гs其大小与 Fopt 处的值相差 0.2 变化时,会产生 2.6dB 恒定噪声圆(即噪声系数增加 0.1dB)。
当 Гs=Гopt 时,所得可用增益为 GA=11 dB。因此,需要牺牲增益以获得最佳噪声性能。选择负载反射系数(ГL=Гout*)以向负载提供最大功率传输。当Гs=Гopt 时,该值ГL为:
由于
因此输出端的 VSWR 为 1,因此所得增益为 GT=GA =11 dB,Gp=12.7 dB。另外,ГIn=0.744∠157°;并且,使用下面的方程:
可以计算得到输入驻波比为4.26。
该放大器的设计原理图如图2所示。输入匹配网络设计有短路短截线和四分之一波变压器 其中Z。=31.1 Ω。输出匹配网络设计有一条0.61厘米的微带线来提供焊接区域,后面是一个λ/8短路短截线,以滤除Y1=1/Zi的大部分电纳分量。 然后,使用另一个串联微带线,后面跟着一个提供一些调谐功能的开路短截线。最终的串联微带线用于获得与 50Ω 负载阻抗的匹配。
当然,输出匹配网络可以有不同的设计。所选择的形式(见上图2)通过调整串联线的长度(即l=1.35-cm和l=0.19-cm 线长)提供了调节的灵活性。通过改变开路短截线的宽度(即特性阻抗)并修改短路短截线的长度。
完整的放大器原理图和微带板布局如图3所示。板材料为 Duroid@(εr=2.23,h =0.031 in)。
图 3,(a) 完整的放大器原理图;(b) 微带板布局。
图 4, 测得的放大器特性:(a) 噪声和增益性能; (b)输入输出驻波比性能; (c) 功率输出性能;(d) 4 GHz 时的温度性能;(e) 宽带增益性能。
放大器的测量特性如图 4 所示。图 44 表明放大器在 3.7 至 4.2 GHz 频率范围内性能非常好。3 dB 带宽(见图 4(e))为 850 MHz,对应21%的相对带宽;
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