畢業論文：基于245ghz無線射頻前端接收電路的低功耗低噪聲放大器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 輸入阻抗 iZ 與波源的內阻抗 sZ 互為共軛復數，這個條件稱為“共軛匹配”。需強調的是 iZ 與 sZ 必須對同一參考面而言，其中 iZ 為從參考面處向負載看去的輸入阻抗， sZ 為從參考面處向波源看去的輸入阻抗 [4] 。 負載的匹配 在傳輸微波功率時一般都希望負載時匹配的，因為匹配負載無反射，傳輸線中為行波狀態，這對于傳輸微波功率來說，主要有以下幾點好處： 1. 匹配負載可以從匹配源輸出功率中吸收最大功率。 2. 行波狀態時傳輸線的傳輸效率最高。因反射波帶回的能量和入射波一樣會在傳 輸線中產生損耗，固有反射時的損耗功率增大，傳輸效率低。 3. 行波狀態時傳輸線功率容量最大。因在駐波狀態時，沿線的高頻電場分布出現波腹，波腹處的電場比傳輸同樣功率時的行波電場高得多，因此容易發生擊穿，從而限制了功率容量。 匹配方法 阻抗匹配的方法有二：一是在不匹配系統中適當加入無功元件，稱為調配器，人為引入一個或多個反射并使之與原系統產生的反射相互抵消而達到匹配；二是兩不匹配系統間加接一 個 阻抗變換器，其作用是化原不匹配系統內的大反射為多級的或漸變的小反射乃至最終過渡到匹配狀態 [5] 。 微帶線簡介 微帶線屬于敞開式部分填充介質的雙導體傳輸線。它是由介質基片上的導帶和基片底部的金屬接地板構成的，整個微帶線用薄膜工藝制作而成，基片采用介電常數高、高頻損耗低的陶瓷、石英、藍寶石等介質材料，導帶采用良導體材料。微帶線適合制作微波集成電路的平面結構傳輸線，與金屬波導相比，其體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等；但損耗稍大，功率容量小。 60年代前期， 由于微波低損耗介質材料和微波半導體器件的發展，形成了微波集成電路，使微帶線得到廣泛應用，于是相繼出現了各種類型的微帶線。 微帶線的參數確定如下，微帶線特性阻抗 0Z 的大小由導體帶寬度 W 和介質板的厚度 h 以及有效介電常數 rE 決定的，如下： 天津職業技術師范大學 2020屆本科生畢業設計 9 016860 l n( ) ( ) ( 1 )4120 ( ) ( 1 ) ( 1 )h W WW h hZ WW h h hh W W? ? ?????? ? ???? ????? ??? ? ? ???ΩΩ (23) 010 2reZZ ? ? （ 24） 式中 0Z 為填充介電常數為 re? 的介質時微帶線的特性阻抗； 01Z 為填充空氣時的同一尺寸微帶線的特性阻抗； W 為微帶線的導帶寬度； h 為微帶線的介質基片厚度 [6]。 偏置電路 在電路系統設計中，直流偏置電路系統是射 頻功率放大器運轉的關鍵。偏置網絡有兩大類型：無源網絡和有源網絡。無源網絡 (即自偏置 )是最簡單的偏置電路，通常由電阻網絡構成，它為射頻晶體管提供合適的工作電壓和電流，但是這種電路的缺點就是對晶體管參數變化非常敏感，并且溫度穩定較差。因為直流反饋總是要降低電壓提供的功率，考慮到現在是低壓工作，所以有效的反饋比較難。如果反饋根本不實用或不充分，就需要使用有源偏置， 有源偏置網絡能改善靜態工作點的穩定性，還能提高良好的溫度穩定性，但它也存在一些問題，如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。 低噪聲 放 大器設計的第一步就是確定晶體管的靜態直流工作點，偏置的作用是在特定的工作條件下為有源器件提供適當的靜態工作點，并抑制晶體管的離散性以及溫度變化的影響從而保持恒定的工作特性。 偏置網絡不僅要設定直流工作狀態，還要通過高頻扼流線圈和隔直電容確保直流偏置與射頻信號相互隔離。 天津職業技術師范大學 2020屆本科生畢業設計 10 3 低噪聲放大器的基本指標 工作頻帶 工作頻帶通常指放大器滿足其全部性能指標的連續頻率范圍。放大器的實際工作頻率盡可能限制在所定的工作頻率范圍。 考慮到噪聲系數是主要指標，在寬頻帶情況下難于獲得極低噪聲，所以低噪聲放大器的工作頻 帶一般不太寬 。 放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率 Tf 有關，由晶體管小信號模型可知，減小偏置電流的結果是晶體管的特征頻率降低。在集成電路中，增大晶體管的面積使極間電容增加也降低了特性頻率。 帶寬 為保證頻帶信號無失真地通過放大電路，要求其增益頻率響應特性必須有與信號帶寬相適應的平坦寬度。放大電路電壓增益頻率響應特性為最大值下降 3dB時，對應的頻率寬度為放大器的通頻帶，通常以 BW 表示，即帶寬。而低噪聲放大器的帶寬不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內噪聲要滿足要求。帶寬又分為絕對帶寬和相對帶寬。絕對帶寬定義如下： () HLBW Hz f f?? (31) 采用絕對帶寬表示時，帶寬 BW 的量綱為 Hz。 相對帶寬常用的表示方法為百分比法。采用相對帶寬表示時，帶寬是無量綱的相對值。百分比法定義為絕對帶寬占中心頻率的百分數 ，用 RBW 表示為： 001 0 0 1 0 0HLff BWRBW ff?? ? ? ? ? ? (32) 其中 0f 為中心頻率。 通常當相對帶寬小于 10%時稱為窄帶放大器，相對帶寬大于 30%時稱為寬帶放大器，而相對帶寬大于 100%時稱為超寬帶放大器，考慮到噪聲系數是主要指標，但是在寬頻帶情況下難于獲得極低噪聲，所以低噪聲放大器的工作頻帶一般不寬 ，較多為 20%左右 [9] 。 天津職業技術師范大學 2020屆本科生畢業設計 11 噪聲系數 在電路某一特定點上的信號功率與噪聲功率之比，稱為信號噪聲比，簡稱信噪比，用符號 sP /nP (或 S /N )表示。放大器噪聲系數是指放大器輸入端信號噪聲功率比 siP / niP 與輸出端信號噪聲功率比 soP / noP 的比值。噪聲系數的物理含義是：信號通過放大器之后，由于放大器產生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數就是噪聲系數。影響放大器噪聲系數的因素有很多，除了選用性能優良的元器件外，電路的拓撲結構是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數和信號源的阻抗有關，而與負載阻抗無關。當一個晶體管的源端所接的信號源的阻抗等于它所要求的最佳信號源阻抗時，由 該晶體管構成的放大器的噪聲系數最小。實際應用中放大器的噪聲系數可以表示為 ： 2m in 2204(1 ) 1s op tns op tRFFZ? ? ???? ? ? ? （ 33） minF 是當源端為最佳源阻抗時放大器的最小噪聲系數， nR 是噪聲阻抗， opt?是放大器按最小噪聲系數匹配時的最佳源反射系數。由此可見放大器的輸入匹配電路應該按照噪聲最佳來進行設計，也就是 根據所選晶體管的 opt? 來進行設計。設計輸出匹配電路時采用共軛匹配，以獲得放大器較高的功率增益和較好的輸出駐波比 [6]。 圖 31 多級放大電路示意圖 當系統中有多級放大器相連時，其系統總噪聲系數和總增益表達式為 : 2311 2 1 2 3 1 2 31 2 31 1 11ntotalntotal nF F FFFG G G G G G G G GG G G G G? ? ?? ? ? ? ? ???? ?????? ???? ????? （ 34） 式中 totalF 表示多級放大器總的噪聲系 數 。1F 、 2F 和 3F 分別表第一、第二和第 輸出 . . . . RF 放大 RF 放大 RF 放大 RF 放大 輸入 F1 G1 F2 G2 F3 G3 Fn Gn 天津職業技術師范大學 2020屆本科生畢業設計 12 三級的噪聲系數 。G G2和 G3分別表示第一、第二級和第三級放大器的功率增益。從上式知道，越后項分母越大，所以初級噪聲系數 1F 對總體噪聲系數 totalF 的影響最大。只有 1F 盡量低，前級增益 G1和 G2足夠大，整機的噪聲性能才能足夠小 [6] 。 增益 根據線型網絡輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益：工作功率增益、轉換功率增益、資用功率增益。對于實際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源與負載多為 50Ω標準阻抗情況下實測的增益，一般用 dB表示。其表達式為放大器輸出功率與輸入功率的比值： outinpG p? （ 35） 低噪聲放大器的增益要適中，太大會使下級混頻器輸入太大，產生失真。但為了抑制后面各級的噪聲對系統的影響，其增益又不能太小。放大器的增益首先與管子跨導有關，跨導直接由工作點的電流決定。其次放大器的增益還與負載有關。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進行設計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，以此增益 G 要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關增益。通常，相關增益比最大增益大約低 2~4dB。所以，一般來說低噪聲放大器的增益確定應與系統的整機噪聲系數、接收機動態范圍等結合起來考慮。根據經驗，一般取值在 15~20dB 較為合適。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來描述工作頻帶內功率增益的起伏 , 常用最高增益與最小增益之差，即△ G(dB)表示 [10] 。 穩定性 放大器必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段內的穩定性。這一點對于射頻電路是非常重要的，因為射頻電路在某些工作頻率和終端條件下有產生振蕩的趨勢。考察電壓波沿傳輸線的傳輸，可以理解這種振蕩現象。若傳輸線終端反射系數 Γ01， 則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導致不穩定的現象。反之，若 Γ01，將導致反射電壓波的幅度變小（負反饋）。當放大器的輸入和輸出端的反射系數的模都小于 1,即 in? 1, out? 1 時，不管源阻抗和負載阻抗如何，網絡都是穩定的，稱為絕對穩定；當輸入端或輸出端的反射系數的模大于 1時，網絡是不穩定的，稱為條件穩定。對條件穩定的放大器，其負載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩定工作，即使負載阻抗 和源阻抗屬于標準天津職業技術師范大學 2020屆本科生畢業設計 13 的阻抗，但隨著溫度、濕度等環境的變化這些阻抗可能會發生變化，同時放大器的參數也會發生變化，而在設計基于有源兩端口網絡射頻放大電路時，絕對穩定是非常有價值的。如果有源器件滿足絕對穩定條件，可以簡化放大電路的設計，提高設計效率。而且只有在絕對穩定的條件下晶體管才有可能達到最大增益，所以判斷一個晶體管的射頻是否絕對穩定就相對變得重要。而一個晶體管的射頻穩定條件是： 2 2 211 2212 21211 12 21222 12 2111211SSSSK S S SS S S? ? ? ?????? ? ???????? （ 36） 式中有： |||| 21122211 SSSS ??? （ 37） ? 為穩定性判別系數，只有當式 （ 36） 中的 3個條件都滿足時，才能保證放大器是絕對穩定的。 端口駐波比和反射損耗 低噪聲放大器的輸入和輸出反射系數表征著輸入輸出信號的反射損耗，通常用輸入和輸出駐波比來表示，將低噪聲放大器看成標準兩端口網絡，則輸入輸出駐波比如下： ||1 ||1V SW R iiinnn?? ??? (38) ||1||1V S W Routoutout?? ??? (39) 低噪聲放大器主要指標是噪聲系數所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設計的，其結果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態，因此駐波比不會很好。此外，由于微 波場效應晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以 6 dB 規律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓天津職業技術師范大學 2020屆本科生畢業設計 14 低增益，以 保持帶內增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。一般情況下，為了減小放大器輸入端失配所引起的端口反射對系統的影響，可用插損很小的隔離器等其他措施來解決 [11] 。 天津職業技術師范大學 2020屆本科生畢業設計 15 4 低噪聲放大器設計仿真及優化 指標目標 及設計流程 工作頻帶 ： ~； 帶內增 益 ：