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了解單邊低噪聲放大器的設(shè)計

作者: 時間:2023-12-18 來源:EEPW編譯 收藏

在本文中,我們學(xué)習(xí)了噪聲參數(shù),并使用為指定的增益設(shè)計單邊低(LNA)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202312/453996.htm

在接收器應(yīng)用中,信號鏈中的第一個放大器對整個系統(tǒng)的噪聲性能具有主導(dǎo)作用。該放大器應(yīng)具有盡可能低的噪聲系數(shù),同時提供可接受的高功率增益。因此,這種低(LNA)的設(shè)計過程應(yīng)考慮增益和噪聲性能。

在本文中,我們將學(xué)習(xí)如何根據(jù)這些要求設(shè)計單向LNA。我們將首先探索如何在RF應(yīng)用中指定雙端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲參數(shù),然后設(shè)計一個能夠?qū)崿F(xiàn)特定增益和特定噪聲水平的單向放大器。最后,我們將使用本系列上一篇文章中介紹的RF設(shè)計軟件對我們的設(shè)計進(jìn)行測試。

二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲參數(shù)

正如我在噪聲系數(shù)度量中詳細(xì)討論的那樣,電路的輸出噪聲在很大程度上取決于其源阻抗。同時,連接到源導(dǎo)納YS = GS + jBS晶體管的噪聲系數(shù)(F)由以下方程給出:


1.png

方程式1

其中:

Fmin 是設(shè)備的最小噪聲系數(shù)

RN是設(shè)備的等效噪聲電阻

Yopt是最佳源導(dǎo)納

GS是源導(dǎo)納YS的實(shí)部。

從這個方程中我們可以看到F如何隨著源導(dǎo)納(YS)而變化。觀察到當(dāng)YS=Yopt時,噪聲因子降低到其最小值Fmin

Fmin、RN和Yopt的量稱為晶體管的噪聲參數(shù)。我們不計算這些參數(shù),而是由制造商給出或通過測量獲得。Fmin有時以dB為單位表示為NFmin,它隨著晶體管的偏置點(diǎn)、溫度和操作頻率而變化。RN參數(shù)是一個靈敏度因子,表明噪聲因子隨著源導(dǎo)納遠(yuǎn)離Yopt而增加的速度。

在低頻時,Yopt是實(shí)數(shù),但對于大多數(shù)有源器件,在50至100 MHz以上,它變成了一個復(fù)數(shù)值。對于任何給定的雙端口網(wǎng)絡(luò),我們可以找到一個使噪聲系數(shù)最小的Yopt值。請注意,方程1中沒有出現(xiàn)S參數(shù)。事實(shí)上,器件的S參數(shù)沒有為我們提供任何有關(guān)其噪聲性能的信息。

如前所述,F是噪聲系數(shù)。它以線性形式表示。噪聲系數(shù)縮寫為NF,是轉(zhuǎn)換為dB的噪聲系數(shù)。因此,FNF之間的關(guān)系可以表示如下:

2.png

方程式2

在實(shí)踐中,確定NF對源阻抗的依賴性需要專門的噪聲測量設(shè)備。該設(shè)備使用短截線調(diào)諧器向設(shè)備施加一系列復(fù)雜的阻抗,然后對這些測量值進(jìn)行分析,以在ΓS平面上產(chǎn)生恒定的NF輪廓。

圖1顯示了假設(shè)設(shè)備的恒定NF輪廓。正如我們稍后將更詳細(xì)討論的那樣,這些輪廓是圓形的。

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圖1.顯示了假設(shè)設(shè)備的NF輪廓,展示了驅(qū)動點(diǎn)阻抗對噪聲系數(shù)的影響。圖片由D. Boyd提供

請注意,常見的噪聲系數(shù)分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀無法產(chǎn)生這些NF輪廓。

噪聲系數(shù)方程的另一種形式,上述引入的RN參數(shù)也可以指定為電導(dǎo)項(xiàng),

GN = 1RN?? = 1??
此外,除了指定最佳導(dǎo)納外,還可以通過指定等效最佳源阻抗(Zopt = 1YYopt???? = 1????)代表時間

opt)或其關(guān)聯(lián)的最佳源反射系數(shù)(Γopt)。參數(shù)Yopt和Γopt由以下方程式相關(guān)聯(lián):

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方程式3

使用Γopt參數(shù),方程1也可以表示為:

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方程式4

請注意,放大器的負(fù)載反射系數(shù)(ΓL)沒有出現(xiàn)在方程4中。由此我們可以看出,輸出匹配對噪聲系數(shù)沒有任何影響。然而,匹配的輸出可以提供更多的增益,并減少后續(xù)級噪聲的影響。

放大器的增益和噪聲性能之間通常存在權(quán)衡關(guān)系——在最大增益下無法實(shí)現(xiàn)最小噪聲。

繪制常數(shù)NF圓

為了在給定的噪聲系數(shù)(F)下繪制恒定的NF圓,我們首先找到噪聲系數(shù)參數(shù)(N)。這由下式給出:

6.png

方程式5

常數(shù)NF圓的圓心(cF)由下式給出:

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方程式6

通過以下公式計算其半徑(rF):

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方程式7

為了鞏固這些概念,讓我們通過一個例子來學(xué)習(xí)。

示例 1:繪制常數(shù) NF 圓

假設(shè)晶體管的Z0 = 50 Ω,f = 1.4 GHz,其S參數(shù)如下:

9.png

表1.示例晶體管的S參數(shù)。

該裝置的噪聲參數(shù)為:

NFmin=1.6dB

Γopt  = 0.5 ∠ 130 度

RN =20Ω。

讓我們繪制這個晶體管在NF = 2 dB、2.5 dB和3 dB時的常數(shù)NF圓。表2總結(jié)了所需的計算。請注意,我們的方程式使用F,而不是NF,所以我們不能直接將噪聲系數(shù)值代入方程式。相反,我們必須將它們從分貝測量值轉(zhuǎn)換為表示噪聲系數(shù)的線性項(xiàng)。


10.png

表2。這些計算結(jié)果使我們能夠?yàn)槲覀兊氖纠w管繪制恒定NF圓。

這些恒定的NF圈在圖2中繪制。

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圖2:示例晶體管的恒定NF循環(huán)。圖片由Steve Arar提供

請注意,恒定噪聲圓圈的中心位于從中心到點(diǎn)Γopt的直線上(參見方程6)。在Γopt處,我們得到NFmin = 1.6 dB,噪聲圓圈轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€點(diǎn)。隨著噪聲系數(shù)的增加,圓圈的中心向原點(diǎn)移動,其半徑變大。

設(shè)計用于增益和噪聲的雙邊RF放大器

在ΓS 平面中繪制恒定的 NF 圓,可用于找到給定噪聲系數(shù)下的適當(dāng)源端接。為了同時考慮噪聲和增益,我們還需要在ΓS 平面中繪制增益輪廓。在單邊器件的情況下,這是很簡單的,其中輸入和輸出匹配部分的增益是相互獨(dú)立的。我們將在下一篇文章中介紹雙邊 LNA 的設(shè)計。

示例2:為特定增益和噪聲性能設(shè)計單邊LNA

使用前一個示例中的晶體管,讓我們設(shè)計一個具有2.5 dB噪聲系數(shù)和最大可能增益的放大器。

該晶體管具有較小的S12,表明它可能被視為單向的。應(yīng)用單向品質(zhì)因數(shù)(U),我們得到:

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方程式8

由于U小于0.1,我們立即知道單邊方法的誤差小于±1 dB。因此可以應(yīng)用單邊方法。我們還可以計算出單邊近似誤差界的確切值。計算結(jié)果為:

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方程式9

這意味著我們最終設(shè)計的實(shí)際增益誤差應(yīng)小于±0.35 dB。

接下來,我們確定GS,max,單邊器件輸入匹配部分的最大可能增益:

14.png

方程式10

這轉(zhuǎn)換成1.46dB。

這使我們能夠?yàn)槲覀兊暮愣ㄔ鲆鎴A選擇合適的值。在這個例子中,我任意選擇了繪制GS = 0.5、1、1.28和1.4 dB的圓。這些恒定GS圓的中心和半徑如表3所示。

表3.恒定GS圓的圓心和半徑。

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圖3繪制了這些圓圈和ΓS平面中NF = 2.5 dB的圓圈。

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圖3.ΓS平面中的恒定GS和NF圓。圖片由Steve Arar提供

在ΓS = 0.45 ∠ 169.17度時,GS = 1.28 dB增益圓僅與NF = 2.5 dB的噪聲圓相交。任何更高的GS值都會使我們遠(yuǎn)離Γopt,從而導(dǎo)致更大的噪聲系數(shù)。

對于輸出部分,我們選擇共軛匹配以最大化增益。這導(dǎo)致:

17.png

方程式11

并且:

18.png

方程式12

這轉(zhuǎn)換成1.96dB。

總增益計算如下:

19.png

方程式13

上式中G0 =|S21|2 。這是晶體管基于Z0的傳感器功率增益。

接下來,我們使用Z Smith圖來設(shè)計輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。對于輸入匹配部分,我們在圖4的Smith圖中定位ΓS,并通過沿恒定|ΓS|圓旋轉(zhuǎn)180度找到其關(guān)聯(lián)的歸一化導(dǎo)納(yS)。

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圖4.恒定的|ΓS|圓。圓上的重要點(diǎn)用藍(lán)色標(biāo)記。圖片由Steve Arar提供

從現(xiàn)在開始,我們將史密斯圓圖解釋為Y史密斯圓圖。我們需要一個電路,從位于50Ω終端的圓圖中心到y(tǒng)S。恒定|ΓS|圓與1 + jb圓的交點(diǎn)標(biāo)記為點(diǎn)A,其電納約為j1。

在設(shè)計雙端口網(wǎng)絡(luò)的輸入匹配部分時,我們在50Ω終端上添加了一個長度為l1=0.125λ的并聯(lián)開路短截線,以產(chǎn)生電納j1。然后,我們添加了一個長度為l2=0.103λ的串聯(lián)線路,沿著恒定的|ΓS|圓到y(tǒng)S。

輸出匹配部分可以以類似的方式設(shè)計。如圖5所示,輸出匹配網(wǎng)絡(luò)需要長度為l3=0.157λ的開路短截線和長度為l4=0.243λ的串聯(lián)線。

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圖5.恒定|ΓL|圓。注意l3和l4的值。圖片由Steve Arar提供

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圖6.示例LNA的最終設(shè)計。圖片由Steve Arar提供

現(xiàn)在我們可以使用設(shè)計軟件來驗(yàn)證電路的性能。

將噪聲參數(shù)添加到試金石文件

正如我們在最近關(guān)于射頻放大器穩(wěn)定技術(shù)的文章中所了解到的,Touchstone(.s2p)文件格式通常用于射頻設(shè)計軟件中,以指定雙端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。表4顯示了圖6中放大器S參數(shù)的.s2p文件。噪聲參數(shù)也包含在文件的末尾,盡管這是可選的。

表4.圖6中放大器的S參數(shù)和噪聲參數(shù),保存為Touchstone文件。

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圖6顯示了最終放大器設(shè)計的交流原理圖。

回想一下,以#標(biāo)記開頭的選項(xiàng)行包含標(biāo)題信息。此標(biāo)題信息指定了S參數(shù)的頻率單位和數(shù)據(jù)格式。選項(xiàng)行中的術(shù)語“R 50”表示S參數(shù)的負(fù)載終端電阻為50Ω。以!符號開頭的行是注釋行。

正如你所看到的,噪聲參數(shù)沒有單獨(dú)的選項(xiàng)行。為了讓模擬器能夠區(qū)分S參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)束和噪聲數(shù)據(jù)開始的位置,噪聲參數(shù)的第一個頻率必須小于或等于S參數(shù)的最高頻率。

噪聲信息的數(shù)據(jù)格式如下:

第一列指定頻率(1400 MHz)。

第二列給出了最小噪聲系數(shù),單位為dB(1.6 dB)。

接下來的兩列給出了最佳反射系數(shù)(Γopt = 0.5 ∠ 130 度)的幅值和相位。

最后一列是有效噪聲電阻(RN = 20 Ω),歸一化為我們在選項(xiàng)行中定義的系統(tǒng)阻抗。

將上述.s2p文件鏈接到Pathwave ADS中的s2p組件,我們可以分析系統(tǒng)的增益和噪聲性能。我們生成的Pathwave ADS原理圖如圖7所示。

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圖7.示例放大器的路徑波ADS示意圖。圖片由Steve Arar提供

請注意,模擬溫度設(shè)置為16.85°C,以確保噪聲系數(shù)測量與IEEE對噪聲系數(shù)的定義一致。計算機(jī)分析表明,我們設(shè)計的電路增益為12.466 dB,噪聲系數(shù)為2.522 dB。這些數(shù)字與我們的設(shè)計規(guī)格非常接近。

總結(jié)一下

本文的后半部分側(cè)重于通過示例進(jìn)行工作。如果您想復(fù)習(xí)一下,這里簡要總結(jié)了前面介紹的概念:

給定工作條件下雙端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能可以通過其噪聲參數(shù)來充分表征:Fmin(或NFmin)、Γopt和RN。

在ΓS平面中繪制了恒定的NF圓,可用于為給定的噪聲系數(shù)找到合適的源端接。

為了同時考慮噪聲和增益,我們還需要在ΓS平面中繪制增益輪廓。如果設(shè)備是單邊的,則這是很簡單的。

請注意,如果設(shè)備是雙邊的,則在 ΓS 平面繪制增益輪廓就不那么簡單了。我們之前使用工作功率增益 (GP) 圓來設(shè)計一個特定增益的雙邊放大器,但 GP 圓在 ΓL 平面內(nèi),并不能直接指定可用的源端接。

幸運(yùn)的是,有一種基于可用功率增益(GA)概念的方法,可以讓我們在ΓS平面中繪制雙邊設(shè)備的增益輪廓。我們將在下一篇文章中討論如何使用恒定GA圓來設(shè)計雙邊放大器,以實(shí)現(xiàn)增益和噪聲性能。






關(guān)鍵詞: 噪聲放大器 史密斯圓圖

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