引言

　　低噪聲放大器(lna)是雷達、通信、電子對抗、遙測遙控等電子系統(tǒng)中關鍵的微波部件，有廣泛的應用價值。由于微波系統(tǒng)的噪聲系數(shù)基本上取決于前級放大器的噪聲系數(shù)，因此lna噪聲系數(shù)的優(yōu)劣會直接影響整個系統(tǒng)性能的好壞。低噪聲放大器的設計主要包括輸入、輸出匹配網(wǎng)絡和直流偏置網(wǎng)絡的設計以及改善晶體管穩(wěn)定的措施。

　　本文首先介紹放大器提高穩(wěn)定性的源極串聯(lián)負反饋原理，然后設計了一個l波段的低噪聲放大器實例，并給出了放火器輸入、輸出回波損耗、增益、噪聲系數(shù)等參數(shù)的仿真結(jié)果。

　　低噪聲放大器的設計

　　本文所設計的低噪聲放大器的性能指標為：在1.90ghz～2.10ghz的頻段內(nèi)，功率增益gp≥30db，噪聲系數(shù)nf≤1db�？紤]指標要求，擬采用兩級放大級聯(lián)技術(shù)來實現(xiàn)。n級放大器噪聲系數(shù)可表示為：
　　

　　其中，nf為放大器整機的噪聲系數(shù)；nf1、nf2…nfn分別是放大器第1級、第2級至第n級的噪聲系數(shù)；g1、g2、…gn-1分別是放大器第1級、第2級至第n-1級的功率增益。由公式(1)可知，第一級放大器的噪聲系數(shù)和增益將直接影響整個放大器的噪聲系數(shù)。級聯(lián)低噪聲放大器要獲得低的噪聲系數(shù)，選擇的放大器第一級晶體管應該在工作頻率具有低的噪聲系數(shù)和較高的增益。

　　設計lna首先應根據(jù)設計指標選擇合適的器件，然后根據(jù)器件在工作頻率的阻抗特性設計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡。由于設計的低噪聲放大器的增益指標大于30db，因此需要使用多級級聯(lián)的方式來實現(xiàn)。agilent公司的atf54143 e-phemt晶體管具有高增益和低噪聲的特性，適用于頻率范圍在450mhz～6ghz無線系統(tǒng)的各種lna電路中。該管子在2ghz頻點上的噪聲系數(shù)是0.5db，增益為17db，因此選擇了該晶體管作為放大器的第一級；為實現(xiàn)放大器的增益指標，選用mga86576作為第二級。

　　源極串聯(lián)反饋電感對穩(wěn)定性的影響

　　穩(wěn)定性是lna電路必須考慮的，放大器的穩(wěn)定性是指對振蕩的抑制水平，必須保證放大器的穩(wěn)定性，以避免可能出現(xiàn)的自激。在晶體管放人器的二端口網(wǎng)絡中，它的兩個端口分別接信號源和負載，有了雙端口剛路的s參數(shù)，可以方便地計算放大器的穩(wěn)定系數(shù)k，穩(wěn)定性判據(jù)如下：

　　
　　
　　其中△=|s11s22-s12s21|。當k>1且△<0時，放大器處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)；k<1，電路則潛在不穩(wěn)定。

　　由于aft54143在工作頻段內(nèi)不是絕對穩(wěn)定的，為了提高放大器的穩(wěn)定性，在輸出端并聯(lián)一個100ω的電阻。為確保atf54143在盡可能寬的頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定，這里采取源極引入串聯(lián)感性反饋的方法，電感采用一段很細的微帶線來代替，晶體管接入串聯(lián)反饋電感后的等效電路如圖1所示。

　　串聯(lián)反饋電感l(wèi)s后，晶體管的輸入阻抗zin可以表示為：
　　

　　當wls<<rds+ri時，輸入阻抗可以近似為：

　　

　　從公式(4)可以看出，在源極串聯(lián)電感后，可以增加晶體管雙端口網(wǎng)絡輸入阻抗的實部，而虛部基本保持不變，使其逐漸與最佳噪聲匹配的阻抗重合；另一方面，增加一個無源元件不會使晶體管的噪聲性能惡化。
　　
　　接入源極負反饋后，對atf54143進行仿真。圖2即為晶體管穩(wěn)定性改善前后的仿真結(jié)果圖，(a)是末接入源極負反饋時，晶體管在小于3.5ghz的頻段內(nèi)都是不穩(wěn)定的；(b)是接入源極電感后，atf54143在1.9ghz～2.1ghz頻段范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的。可見采用源極串聯(lián)負反饋技術(shù)后，穩(wěn)定性因子k在所要求的頻率范圍內(nèi)大于1，滿足絕對穩(wěn)定的條件要求。

　　偏置電路的設計

　　直流偏置電路為放大器提供合適的電壓和電流，使得晶體管工作于要求的靜態(tài)工作點，并在晶體管參數(shù)和溫度變化的范圍內(nèi)，保持靜態(tài)工作點的恒定。根據(jù)器件特性選擇最佳條件，這里選取atf54143的典型直流工作點參數(shù)：vds=3v，id=60ma；偏置的方式采用了電阻偏置，它有較好的溫度穩(wěn)定性。結(jié)合上述偏置電路的設計原則和atf54143的s參數(shù)數(shù)據(jù)，就可設計出如圖3所示的直流偏置電路。

　　其中vdc是饋電電壓，其值選5v；vds是atf54143的漏源工作電壓，大小為3v；idc是atf54143靜態(tài)工作點所需的漏極電流，大小為60ma；ibb是流過r3、r4電阻分壓器的電流，它一般至少為門極漏電流的10倍，這里選為2ma；r2的計算