低噪声放大器设计的宽带实现和负反馈原理
低噪声放大器是通信、雷达、电子对抗及遥控遥测系统中的必不可少的重要部件，它位于射频接收系统的前端，主要功能是对天线接收到的微弱射频信号进行线性放大，同时抑制各种噪声干扰，提高系统的灵敏度。特别是随着通信、电子对抗、微波测量等向着宽频带、低噪声、小型化方向发展，放大器的低噪声和宽频带设计问题得到了越来越广泛的重视。这里给出了一个50～300mhz的低噪声宽带放大器的设计，该放大器在工作频段内具有优良的增益平坦度和噪声系数，能提高接收机的灵敏度。
1、宽带实现和负反馈原理
宽带放大器设计的主要障碍是有源器件的增益带宽积的制约，即有源器件的增益在频率高端随着频率的增加以6db/倍频程下降。宽带放大器常用的设计方法有：平衡结构式放大器，负反馈式放大器，有源匹配电路，电抗网络匹配，宽带电阻匹配，分布式放大器等。其中负反馈式放大器具有如下明显的优点：降低整个电路对晶体管自身性能变化的敏感度；获得较好的输入阻抗匹配和较低的噪声系数；增大工作频带内放大器的稳定性；增加放大器的线性度等。因此，负反馈技术被广泛地运用于宽带放大器的设计当中。
采用负反馈技术的放大器如图1所示。
图1、负反馈式放大器
其中栅极和漏极之间的反馈网络由电容、电阻和电感组成。其中电容的作用是防止反馈网络对晶体管的直流偏置产生影响；电感的作用是减少放大器在频率高端的反馈量，抵消放大器的增益随频率增加而降低，通过调节电感的大小可以调节放大器增益的平坦度。电阻起主要反馈作用，通过调节电阻值的大小可以调节反馈量的多少。同时当反馈电阻r = gm × z02时，放大器可以获得良好的阻抗匹配。
2、偏置电路和稳定因子
2.1、偏置电路
放大器的偏置电路如图2所示。图2中电感l1和l2是射频扼流圈（rfc）；电容c1-c4为电源滤波电容；r3可由公式（1）推得：
其中ids是漏电流，ibb是流经r1/r2分压器网络的电流。r1和r2可由式（2）和式（3）推得：
图2、放大器的偏置电路
2.2、稳定因子
电路的稳定性设计必不可少，因为高增益放大器比较容易自激。考虑放大器的稳定性时主要考虑的是稳定系数k和|δ|，为了得到绝对稳定的网络，必须满足k>1和|δ|<1。
稳定系数k和|δ|的表达式如（4）和（5）所示：
当上面两个条件同时满足时，放大器绝对稳定；如果这两个条件不能同时得到满足，放大器将存在潜在的不稳定和振荡。此时需要采取一些措施来改善放大器的稳定性，主要方法有：源极串联负反馈；漏极与栅极并联负反馈；漏极串联电阻和漏极并联电阻；插入铁氧体隔离器等。
3、ads仿真及电路测试
根据avago公司提供的atf54143的晶体管模型，在ads中建立电路，对设计的低噪声放大器的s参数和噪声系数进行仿真和优化。考虑到制作加工过程中可能带来的误差，设计仿真的性能指标设置必须高于所要求达到的性能指标。通过反复的优化，最后得到的仿真结果为：在50～300mhz频带内，增益为23±0.2db，噪声系数小于0.4，输入驻波小于1.4，输出驻波小于1.4。
根据仿真结果，制作pcb板，装配放大器，如图3所示。
图3、放大器实物图
然后使用安捷伦公司的e5061a网络分析仪和n8975噪声系数分析仪对放大器进行测试，增益、驻波和噪声系数的测试结果分别如图4、图5和图6所示。
图4、增益与频率的关系
图5、输入/输出驻波与频率的关系
图6、噪声系数与频率的关系
由图4、图5和图6可以看出，研制的低噪声放大器在宽带（50～300mhz）的工作频段内，增益大于22db，平坦度小于±0.3db，噪声系数小于1.25，输入驻波小于1.4，输出驻波小于1.3。可以看出低噪声放大器的测试结果与仿真结果吻合较好。但测试的噪声系数比仿真结果稍差，增益比仿真结果稍低，这是由于电容、电感的寄生电阻的影响，同时调试时滤波器的输入端口和输出端口不是完全匹配，器件的接地性不是很好，及测试电缆和接头的影响。
4、结语
宽带低噪声放大器是通信系统中不可或缺的重要器件，这里通过负反馈技术，选用avago公司的高电子迁移率晶体管atf54143设计了一个低噪声宽带放大器，并使用微波仿真软件ads进行优化，得出在50-300mhz的工作频率带内，增益大于22db，平坦度小于±0.3db，噪声系数小于1.25，输入驻波小于1.4，输入驻波小于1.3。
这里的创新点是使用负反馈技术设计出低噪声宽带放大器，该放大器具有增益高，增益平坦度优，及噪声系数小等优点，可广泛应用于微波通信、卫星通信等各种电子设备中。
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1、宽带实现和负反馈原理
宽带放大器设计的主要障碍是有源器件的增益带宽积的制约，即有源器件的增益在频率高端随着频率的增加以6db/倍频程下降。宽带放大器常用的设计方法有：平衡结构式放大器，负反馈式放大器，有源匹配电路，电抗网络匹配，宽带电阻匹配，分布式放大器等。其中负反馈式放大器具有如下明显的优点：降低整个电路对晶体管自身性能变化的敏感度；获得较好的输入阻抗匹配和较低的噪声系数；增大工作频带内放大器的稳定性；增加放大器的线性度等。因此，负反馈技术被广泛地运用于宽带放大器的设计当中。
采用负反馈技术的放大器如图1所示。
图1、负反馈式放大器
其中栅极和漏极之间的反馈网络由电容、电阻和电感组成。其中电容的作用是防止反馈网络对晶体管的直流偏置产生影响；电感的作用是减少放大器在频率高端的反馈量，抵消放大器的增益随频率增加而降低，通过调节电感的大小可以调节放大器增益的平坦度。电阻起主要反馈作用，通过调节电阻值的大小可以调节反馈量的多少。同时当反馈电阻r = gm × z02时，放大器可以获得良好的阻抗匹配。
2、偏置电路和稳定因子
2.1、偏置电路
放大器的偏置电路如图2所示。图2中电感l1和l2是射频扼流圈（rfc）；电容c1-c4为电源滤波电容；r3可由公式（1）推得：
其中ids是漏电流，ibb是流经r1/r2分压器网络的电流。r1和r2可由式（2）和式（3）推得：
图2、放大器的偏置电路
2.2、稳定因子
电路的稳定性设计必不可少，因为高增益放大器比较容易自激。考虑放大器的稳定性时主要考虑的是稳定系数k和|δ|，为了得到绝对稳定的网络，必须满足k>1和|δ|<1。
稳定系数k和|δ|的表达式如（4）和（5）所示：
当上面两个条件同时满足时，放大器绝对稳定；如果这两个条件不能同时得到满足，放大器将存在潜在的不稳定和振荡。此时需要采取一些措施来改善放大器的稳定性，主要方法有：源极串联负反馈；漏极与栅极并联负反馈；漏极串联电阻和漏极并联电阻；插入铁氧体隔离器等。
3、ads仿真及电路测试
根据avago公司提供的atf54143的晶体管模型，在ads中建立电路，对设计的低噪声放大器的s参数和噪声系数进行仿真和优化。考虑到制作加工过程中可能带来的误差，设计仿真的性能指标设置必须高于所要求达到的性能指标。通过反复的优化，最后得到的仿真结果为：在50～300mhz频带内，增益为23±0.2db，噪声系数小于0.4，输入驻波小于1.4，输出驻波小于1.4。
根据仿真结果，制作pcb板，装配放大器，如图3所示。
图3、放大器实物图
然后使用安捷伦公司的e5061a网络分析仪和n8975噪声系数分析仪对放大器进行测试，增益、驻波和噪声系数的测试结果分别如图4、图5和图6所示。
图4、增益与频率的关系
图5、输入/输出驻波与频率的关系
图6、噪声系数与频率的关系
由图4、图5和图6可以看出，研制的低噪声放大器在宽带（50～300mhz）的工作频段内，增益大于22db，平坦度小于±0.3db，噪声系数小于1.25，输入驻波小于1.4，输出驻波小于1.3。可以看出低噪声放大器的测试结果与仿真结果吻合较好。但测试的噪声系数比仿真结果稍差，增益比仿真结果稍低，这是由于电容、电感的寄生电阻的影响，同时调试时滤波器的输入端口和输出端口不是完全匹配，器件的接地性不是很好，及测试电缆和接头的影响。
4、结语
宽带低噪声放大器是通信系统中不可或缺的重要器件，这里通过负反馈技术，选用avago公司的高电子迁移率晶体管atf54143设计了一个低噪声宽带放大器，并使用微波仿真软件ads进行优化，得出在50-300mhz的工作频率带内，增益大于22db，平坦度小于±0.3db，噪声系数小于1.25，输入驻波小于1.4，输入驻波小于1.3。
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