3.2-5.1GHz宽带低噪声放大器设计文献综述

 2022-10-27 10:10

文献综述(或调研报告):

放大器是电路设计中增加信号幅度或功率的装置,它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的,放大所需功耗由信号源提供。对于线性放大器,输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器,输出则与输入信号成一定函数关系。

对于现代的移动通讯设备来说,许多的服务都是以平行的方式获取的,因此,不同的服务的接收机必须足够应对许多在不同频段的不同信号。它们必须要让各种各样的服务运作起来,比如说手机通信,无线电和电视广播和导航。比如说,美国的GPS和俄国的GLONASS系统,以及欧洲的伽利略系统都是很常见的用来确定设备,载具,飞行载具,轮船等确切位置的。导航系统的接收机的线性程度和强度必须能够维持系统和设备的连接,尤其是当设备在充满其他移动设备干扰信号的恶劣的环境下使用时,需要放大微弱的全频段的卫星信号,这时我们需要使用低噪声放大器。

低噪声放大器就是指噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器,以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合,放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重,因此希望减小这种噪声,以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用放大器的噪声系数NF来表示。理想放大器的噪声系数NF=1(0dB),其物理意义是输入信噪比等于输出信噪比。现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管;微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器。砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛,其噪声系数可低于2dB。放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。为了兼顾低噪声和高增益的要求,常采用共发射极一共基极基联的低噪声放大电路。

输入和输出端的阻抗匹配和噪声匹配是实现高增益和低噪声的关键。

在设计低噪声放大器的时候,利用微波电路CAD设计软件,结合可靠的低噪声放大器设计理论来进行电路设计,可以通过此避开复杂的理论计算,极大地提高设计准确性和效率,有效缩短研制周期,降低成本。安捷伦公司的ADS软件由于其强大的功能,而广泛应用于射频微波电路的仿真和优化设计。

放大器的拓扑结构是需要详细研究的地方,其拓扑结构影响之后阻抗匹配和噪声匹配的优化,在考虑不同的低噪声放大器的工作频段,可以选择低噪声放大器为共射电路,或者也可以将其模拟成微分放大器拓扑。这种拓扑可以被解释为一个共基和一个共集电路相连,这种拓扑结构可以用来改善低噪声放大器的性能,提高其线性,但是会增加功耗,在选取时需要作出一定的选择。

晶体管的选择是第一步,也是非常重要的一步。晶体管的选择,需要根据设计指标来完成,不同的晶体管有着不同的参数优势,同样也会有着一定缺点,在本次设计之中,低噪声放大器设计指标方方面面。比如说晶体管NE3508以及atf-55143等晶体管有着非常低的噪声系数(NF),但是设计指标不仅仅要考虑噪声系数NF,同样需要考虑1-db抑制点,增益及其平坦度等等,所以不能粗略的选取上述晶体管,需要综合考虑个晶体管的优劣势,选取合适的晶体管。

低噪声放大器只是一个独立的元器件,其工作的射频电路(RF)是由特定长宽的微带线以及特定大小的电容电感构成的,微带线的尺寸以及电容电感的大小影响着输入输出端的阻抗匹配,进而影响着低噪声放大器的噪声系数。偏置电压通过由微带线和电感电容构成的过滤电路,可以实现使低噪声放大器在指定的频率下工作。所以合适的阻抗转换才能使低噪声成为可能。同时,提供偏置电压的偏置电路应该被设计为确保其稳定准确的提供无噪声的电源电压和电流。

最后一个要考虑的因素则是外部的干扰,在一些实验中,实验人员经过考究选择了铝套管作为屏蔽装置,加持了屏蔽装置(即一个套管式的电磁干扰滤波器)的低噪声放大器,在噪声系数方面要比不加持屏蔽装置的表现要好得多。

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