低噪声放大器
1.目标
(1)了解低噪声放大器的理论和工作原理. (2)了解低噪声放大器的设计流程.
(3)通过实验了解低噪声放大器的特性.
2.基础理论
我们已经在第三章讲述了射频放大器的工作原理和设计流程。以第三章射频放大器的原理为基础，本章我们介绍讲放大器噪声降至最小的低噪声放大器的原理和设计方法。在第三章讲述过的稳定性和增益的基础上，噪声系数成为超高频设计中一个重要的因素。特别的，可能的情况下，接收机应该有一个低噪预放大器。这是因为接收机的第一级噪声会严重影响整个系统的通信质量。但是，要实现一个同时拥有最小噪声系数和最大增益的放大器是不可能的。上述两个因素相互联系，所以我们采用一个折中的办法：在噪声系数和增益之间选取一个固定的增益圆周和一个固定的噪声系数。下面将介绍固定噪声系数的相关公式以及如何利用这些公式来设计晶体管放大器。
2.1固定增益圆周及特定增益设计方法
为了增加带宽或者得到一个特定的增益，通常将放大器增益设计为小于其最大允许增益。设计者可以通过设计输入/输出匹配电路来获取上述小于最大增益的增益量。设计者可以简单的在史密斯图中按照
S Γ和L Γ画一个固定的圆周从而获得固定的增益（S G 和L G ）
。
固定增益圆周同样可以被用来为低噪声放大器选则特定的增益和噪声因数。为了使大家容易理解，我们将讲述单向器件的固定增益圆周画法。
在很多情况下，11
S 很小而可以被忽略，并且在这种情况下，我们假设设备具有单向行。
假设11
S 趋近于0，增益的转换偏差可以被表示为：
/T TU G G 。可以看出这个比率的范围是：
其中，单向因子U 可以表示为：
通常，如果偏差在1dB 到几十dB 之间可以认为具有单向性。
对于单向器件，S G 和L G 为：
当*11S S Γ=和*
22L S Γ=时，上述增益有最大值，最大值为：
标准化增益因子S g 和L g 定义为：
其中，
01S g ≤≤和01L g ≤≤
上述标准化增益公式可以用S Γ或L Γ平面中修正S g 和L g 的圆表示。为了说明这一点，
g可以表示为：
S
在等式两边同时加上，
上述公式简化为：
这代表了一个圆周，其圆心和半径分别为：
图5.1 输入/输出固定增益圆周
输出固定增益圆周的结果为：
每个圆周的圆心都落在以*11S 或*
22S 为倾角的直线上。当S g （或L g ）＝1（最大增益），半径s R （或L R ）变为0并且圆心就是*11S （或*22S ）。
2.2 噪声系数和固定噪声圆周
加载在放大器输入端信号和噪声被放大器以其增益放大而放大器的噪声被加在了输出端。因此，输出端的SNR （信噪比）比输入端的信噪比小。输入端与输出端的信噪比的比值被定义为噪声系数，从而总是大于1的。
一般来说，二端口晶体管在由下式（5-11）给出的导纳条件下，其噪声系数有最小值。
其中，
S s s Y G jB =+=为晶体管提供的源极导纳 opt Y =可以得到最小噪声系数的最优源极导纳
min F =晶体管最小噪声系数（当）
N R =晶体管等效噪声 S G =源极导纳的实部
反射系数s Γ和opt Γ可以用来代替S Y 和opt Y ，也就是说，
对于低噪声晶体管，制造商常常按频率提供min ,,N opt F R Y 。用功率反射系数表示功率导纳，公式（5-11）可以化简为：
根据需要的噪声系数，利用公式（5-13）可以定义N ：
可以利用公式（5-13）和固定的噪声系数获得功率端的反射系数，从而可以在史密
斯图中得到一个以F C 为圆心以F R 为半径的圆，相应公式如下：
图5.2 史密斯图中的固定噪声系数圆
2.3最小噪声系数设计方法
因为接收机第一个放大器的噪声系系数会影响到整个系统的噪声系数，所以低噪声放大器对于接收机来说尤为重要。在使用二端口晶体管时，为了得到最小噪声系数，设计要要使功率反射系数与opt Γ相匹配；同时，负载反射系数与out Γ的共轭复数相匹配。如下：
2.4 噪声系数与功率增益的折中
S opt Γ=Γ和*L out Γ=Γ被用来得到最小噪声系数。但是，这样就不能与输入导纳相适应
从而也就不能得到最大功率增益。比如，在输入端不匹配的情况下，放大器可能会以最小的噪声系数反射大量的功率。因此，输入端VSWR （电压驻波比）可以通过折中噪声系数与功率增益来获得提高，也就是说增加噪声系数使之大于其最小值。要达到这个目的，可以在史密斯图中画出固定增益圆周和固定噪声系数圆周，并使交点与S Γ匹配。如图5.3，最好的解决方法就是选择固定增益圆周和固定噪声系数圆周的交点。换句话说，在这点可以得到最大的增益和最小的噪声系数。
图5.3固定增益圆周和固定噪声系数圆周
3.设计过程 3.1LNA 设计规范
3.2器件选择
－使用Infinion BFP540（详见附录“数据表”）
3.3 仿真过程
－使用Ansoft Designer SV
第一步：建立电路图（工程→插入电路设计→空白）
第二步：添加衬底信息（电路→加入模型数据→加入衬底定义）
第三步添加BFP540（画图→N－节点）
第四步设定仿真频率范围（电路→添加分析设置）
第五步执行仿真（电路→分析）
第六步确定仿真结果（电路→报告）
第七步稳定性校验（电路→史密斯工具）
第八步稳定性：在晶体管输出端口连接平行电阻器
第九步执行仿真（电路→分析）
第十步稳定性校验（电路→史密斯工具）
第十一步选择功率反射系数（电路→史密斯工具）：Ga=11.8dB, NF=1.33 Circle
第十二步设计输入匹配电路（电路→史密斯工具→匹配符）
第十三步确定负载反射系数
第十四步设计输出匹配电路（电路→史密斯工具→匹配符）
第十五步完成电路
第十六步执行仿真（电路→分析）
第十七步确定仿真结果（电路→报告）
最终仿真结果
3.4布局图
3.5测试工具及组成
1）LNA模块
2）网络分析仪:1
3) 噪声分析仪，噪声源：1
4）DVM：1
3.6测试方法
※仿真由TR（BFP-540）电路独立完成，但增益的增强是由把ERA-5SM添加到LNA模块实现。因此，必须注意测试结果和仿真结果之间存在一定差异。
1）使用FSK解调模块为LNA模块添加功率；
2）用DVM测量并记录BFP-540的基极和集电极电压；
3）为网络分析仪一端口功率设为-35dB并且将工作范围设定在2.2GHz到2.7GHz之间；
4）利用网络分析仪测量并记录射频放大器的S11参数；
5）利用网络分析仪测量并记录射频放大器的S22参数；
6）利用网络分析仪测量并记录射频放大器的S21和S12参数；
7）利用网络分析仪测量并记录射频放大器的输入P1的dB值；
8）关闭FSK解调模块从而切断为LNA提供的功率。附录：BFP540数据表
射频低噪声放大器电路设计详解 射频LNA 设计要求：低噪声放大器（LNA）作为射频信号传输链路 的第一级，它的噪声系数特性决定了整个射频电路前端的噪声性能，因此作为 高性能射频接收电路的第一级LNA 的设计必须满足：（1）较高的线性度以抑 制干扰和防止灵敏度下降;（2）足够高的增益，使其可以抑制后续级模块的噪 声;（3）与输入输出阻抗的匹配，通常为50Ω;（4）尽可能低的功耗， 这是无线通信设备的发展趋势所要求的。 InducTIve-degenerate cascode 结构是射频LNA 设计中使用比较多的结构之一，因为这种结构能够增加LNA 的增益，降低噪声系数，同时增加输入级 和输出级之间的隔离度，提高稳定性。InducTIve-degenerate cascode 结构在输入级MOS 管的栅极和源极分别引入两个电感Lg 和Ls，通过选择适当的电感 值，使得输入回路在电路的工作频率附近产生谐振，从而抵消掉输入阻抗的虚部。由分析可知应用InducTIve-degenerate cascode 结构输入阻抗得到一个50Ω的实部，但是这个实部并不是真正的电阻，因而不会产生噪声，所 以很适合作为射频LNA 的输入极。 高稳定度的LNA cascode 结构在射频LNA 设计中得到广泛应用，但是当工作频率较高时 由于不能忽略MOS 管的寄生电容Cgd，因而使得整个电路的稳定特性变差。 对于单个晶体管可通过在其输入端串联一个小的电阻或在输出端并联一个大的 电阻来提高稳定度，但是由于新增加的电阻将使噪声值变坏，因此这一技术不 能用于低噪声放大器。 文献对cascode 结构提出了改进，在其中ZLoad=jwLout//（jwCout）-
低噪声放大器的设计 姓名：#### 学号：################ 班级：1######## 一、设计要求 1. 中心频率为1.45GHz ，带宽为50MHz ，即放大器工作在1.40GHz-1.50GHz 频率段； 2. 放大器的噪声系数NF<0.8dB ， S11<-10dB ，S22<-15dB ，增益Gain>15dB 。 二、低噪声放大器的主要技术指标 低噪声放大器的性能主要包括噪声系数、合理的增益和稳定性等。 1. 噪声系数NF 放大器的噪声系数（用分贝表示）定义如下： ()10lg in in out out S N NF dB S N ??= ??? 式中NF 为射频/微波器件的噪声系数；in S ，in N 分别为输入端的信号功率和噪声功率；out S ，out N 分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是，信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使得信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。 2. 放大器的增益Gain 在微波设计中，增益通常被定义为传输给负载的平均功率与信号源的最大资用功率之比： S L P P Gain = 增益的值通常是在固定的频率点上测到的，低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益Gain 要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低2～4dB. 3.稳定性 一个微波管的射频绝对稳定条件是2 2 1112212212211,1,1K S S S S S S ><-<-。只有当3个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。
三、低噪声放大器的设计步骤 1.下载并安装晶体管的库文件 (1)由于ADS2008自带的元器件库里并没有ATF54143的元器件模型，所以 需要从Avago公司的网站上下载ATF54143.zap,并进入ADS主界面,点击【File】——【Unarchive Project】进行安装。 (2)新建工程ATF54143_LNA_1_prj,执行菜单命令【File】——【Include/Remove Projects】将ATF54143_prj添加到新建工程中，这样新建工程就能使用器件ATF54143了。 2.确定直流工作点 低噪声放大器的设计的第一步是设置晶体管的直流工作点。 (1)在ADS中执行菜单【File】——【New Design】，在弹出的对话框中的 Schematic Design Templates下拉列表中选择“DC_FET_T”模板，在Name 文本框中输入DC_FET_T，单击【OK】，这样DC_FET控件就被放置在原理图中了。 (2)在原理图中放置器件ATF54143,设置DC_FET控件的参数并连接原理图如 图1所示。 图1 完整DC_FET_T原理图 (3)仿真得到ATF54143的直流特性图如图2所示。
低噪声放大器设计指南 1．低噪声放大器在通讯系统中的作用 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下： S = -174+ NF+10㏒BW+S/N (1) min 由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N 已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。 低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 2． 低噪声放大器的主要技术指标： 2．1 噪声系数NF 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： out out in in N S N S NF //= 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 222min |1)||1(||4opt s opt s n R NF NF Γ?Γ?Γ?Γ+= 其中 F min 为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的， Γopt 、Rn 和Γs分 别为获得 F min 时的最佳源反射系数、 晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： NF=NF 1+(NF -1)/G 1+(NF -1)/G 1G +…… （4） 232其中NF n 为第n级放大器的噪声系数，G n 为第n级放大器的增益。 在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为： T e = T 0 ( NF – 1 ) （5） 其中T e 为放大器的噪声温度，T 0 =2900 K，NF为放大器的噪声系数。 NF(dB) = 10LgNF （6） 2． 2 放大器增益G： 放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值： G=P out / P in （7） 从式（4）中可见，提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。 所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。
运算放大器的电路仿真设计 一、电路课程设计目的 错误!深入理解运算放大器电路模型,了解典型运算放大器的功能,并仿真实现它的功能; 错误!掌握理想运算放大器的特点及分析方法(主要运用节点电压法分析）； ○3熟悉掌握Muｌtisiｍ软件。 二、实验原理说明 （1）运算放大器是一种体积很小的集成电路元件,它包括输入端和输出端。它的类型包括:反向比例放大器、加法器、积分器、微分器、电 压跟随器、电源变换器等. （2） (３)理想运放的特点:根据理想运放的特点,可以得到两条原则： (a）“虚断”:由于理想运放,故输入端口的电流约为零，可近似视为断路,称为“虚断”。 （b)“虚短”:由于理想运放Ａ,，即两输入端间电压约为零,可近似视为短路,称为“虚短”. 已知下图，求输出电压。
理论分析: 由题意可得:(列节点方程) 011(1)822A U U +-= 0111 ()0422 B U U +-= A B U U = 解得: 三、 电路设计内容与步骤 如上图所示设计仿真电路. 仿真电路图：
V18mV R11Ω R22Ω R32Ω R44Ω U2 DC 10MOhm 0.016 V + - U3 OPAMP_3T_VIRTUAL U1 DC 10MOhm 0.011 V + - 根据电压表的读数,， 与理论结果相同． 但在试验中，要注意把电压调成毫伏级别，否则结果误差会很大, 致结果没有任何意义。如图所示,电压单位为伏时的仿真结 果:V18 V R11Ω R22Ω R32Ω R44Ω U2 DC 10MOhm 6.458 V + - U3 OPAMP_3T_VIRTUAL U1 DC 10MOhm 4.305 V + - ，与理论结果相差甚远。 四、 实验注意事项 1)注意仿真中的运算放大器一般是上正下负,而我们常见的运放是上负下正,在仿真过程中要注意。
低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)广泛应用于射电天文、卫星接收、雷达通信等收信机灵敏度要求较高的领域，主要作用是放大所接收的微弱信号、降低噪声、使系统解调出所需的信息数据。而噪声系数(Noise Figure，NF)作为其一项重要的技术指标直接反映整个系统的灵敏度，所以LNA设计对整个系统的性能至关重要。 1 GPS接收机低噪声放大器的设计 设计的LNA主要指标为：工作频率为1 520～1 600 MHz；噪声系数NF
低噪声前置放大器设计方法 一、研究的目的与意义 随着科研和生产的发展，越来越需要测量微弱信号。这些微弱信号常常埋在噪声中，特别是各种物理量(非电量)是通过传感器变换为等效电压信号而进行量测的，这种测昆需要恢复及记录其变化，甚至在生产流程当中还要进行过程控制。因此，要求设计检测仪器必须具育高灵敏度、能抑制噪声，使信噪比改善的良好性能，以满足检测出埋在噪声中的微弱信号的需要。木文着重讨论对信号提取后如何设计前置放大器问题。随着传感器应用的日益广泛，为能检测到由传感器转换来的微弱电信号，要求放大器具有极低的噪声。低噪声放大器对提高传感器测量弱信号的能力、测量范围和灵敏度都是极其重要的，也是很有必要的。本文论述的低噪声放大器除噪声低、频带宽这些特点外，还具有较强的输出能力，特别适于声传感器，当然也适于其它需要低噪声放大器的场合。要求放大器有较强的负载能力这一特点是由声传感器本身的特点以及测量范围的要求而决定的。实际要求当频率低于2MHZ时，输出电压幅值应达到7V(18V电源)，负载为500时的输出电流应大于70InA。 二、处理前置放大器的噪声 由传感器变换为等效电压信号，其中可能包括部分噪声(无用信号)。所以，在讨论前置放大器设计前，简单回顾一下放大器的噪声问题。 测量中噪声出现是一个所不希望的扰动和杂乱的随机信号，它是被测信号的自然背景和限制仪器性能的一个极其重要的因素。 由传感器测出非电量转换为电量信号是极其微弱的量。例如：核磁共振、顺磁共振的共振信号是以微伏级计的信号源等。对类似这种信号进行放大和传递过程中影响最大的是热噪声和器件内部固有噪声，这些正是要克服的对象。 所谓热噪声是由于电荷的无规则运动和导体中电子密度和热涨落而产生的一种噪声。由于传感器存在内阻，在达到热平衡情况下，其噪声电压与带宽具有正比关系。即当前置放大器的带宽增加时，所引起的噪声电压随之增加。因此，
低噪声放大器设计 摘要：微弱信号检测就是利用近代电子学和信号处理方法从噪声中提取有用信号，其关键在于抑制噪声。恢复、增加和提取有用信号。与普通放大器相比，低噪声放大器应具有低得多的噪声系数。欲使放大器获得良好的低噪声特性，除使用好的低噪声器件外，还要有周密的设计。本文将从低噪声放大器在通讯系统中的作用，低噪声放大器的主要技术指标以及低噪声放大器的设计方法来论述低噪声放大器，以获得最佳噪声性能的低噪声放大器。重点介绍了低噪声放大器的设计方法。 关键词：低噪声，微弱信号检测，噪声系数，放大器 0．引言 随着现代科学研究和技术的发展，人们越来越需要从强噪声中检测出有用的微弱信号，于是逐渐形成了微弱信号检测这门新兴的科学技术学科，其应用范围遍及光学、电学、磁学、声学、力学、医学、材料等领域。微弱信号检测技术是利用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比，从而提取有用信号。微弱信号检测所针对的检测对象，是用常规和传统方法不能检测到的微弱量。对它的研究是发展高新技术，探索及发现新的自然规则的重要手段，对推动相关领域的发展具有重要的应用价值。目前，微弱信号检测的原理、方法和设备已经成为很多领域中进行现代科学技术研究不可缺少的手段。显然，对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一大热点。 1．低噪声放大器在通讯系统中的作用 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的
IC课程设计论文题目：运算放大器电路的设计
2012/1/5 摘要 本次课程设计主要内容为：利用MOS管设计一个运算放大器。放大器具有放大小信号并抑制共模信号的功能。首先从放大器理论参数及结构下手，然后经过Hspice网表的生成及仿真调整最后得到满足参数要求的MOS管设定。 关键词：运算放大器，共模电压，电压摆幅，功耗电流 Hspice仿真，增益带宽
ABSTRACT The main content of course design for: use the design a MOS operational amplifier. Amplifier has put size and control signal common mode signal function. Starting from the first amplifier parameters and structure theory laid a hand on him, and then after the formation of the Hspice nets table and adjust the final simulation parameters of the requirements to meet the MOS set. K eywords: operational amplifier ，common-mode voltage ，voltage swing current consumption ，Hspice simulation ，Gain bandwidth
微波电子线路大作业 ——低噪声功率放大器设计 班级：021013班 学号：02011268 姓名：
低噪声放大器的设计 一、设计要求： 已知GaAs FET 在4 GHz 、50 Ω系统中的S 参数和噪声参量为 S11=0.6∠－60°，S21=1.9∠81°， S12=0.05∠26°，S22=0.5∠－60° Fmin=1.6 dB Γout=0.62∠100°RN=20 Ω 设计一个低噪声放大器，要求噪声系数为2 dB ，并计算相应的最大增益。 若按单向化进行设计，则计算GT 的最大误差。 二、低噪声放大器设计原理及思路 1.1低噪声放大器功能概述 低噪声放大器是射频／微波系统的一种必不可少的部件，它紧接接收机天线，放大天线从空中接收到的微弱信号。低噪声放大器在对微弱信号放大的同时还会产生附加于扰信号，因此它的设计目标是低噪声，足够的增益，线性动态范围宽。低噪声放大器影响整机的噪声系数和互调特性，分析如下 （1） 系统接收灵敏度： （2） 多个级连网络的总噪声系数 1.2 放大器工作组态分类 A 类放大器（导通角360度，最大理论效率50%）用于小信号、低噪声，通常是接收机前端放大器或功率放大器的前级放大。 B 类（导通角180度，最大理论效率78.5%）和 C 类（导通角小于180度，最大理论效率大于78.5% ）放大器电源效率高，愉出信号谐波成分高，需要有外部混合电路或滤波电路．由B 类和C 类放大器还可派生出 D 类、 E 类、P 类等放大器。 min 114(dBm/Hz)NF 10log BW(MHz)/(dB) S S N =-+++321112121 11n tot A A A A A An F F F F F G G G G G G ---=+ +++L L
目录 摘要 (i) Abstract (iii) 第一章绪论 (1) 1.1 研究背景和意义 (1) 1.2 研究现状 (3) 1.2.1 理论研究 (3) 1.2.2 实验研究 (6) 1.2.3 仿真分析 (9) 1.3 研究思路和论文结构 (10) 1.3.1 研究思路 (10) 1.3.2 论文结构 (11) 第二章低噪声放大器的工作原理及半导体器件仿真的物理模型 (12) 2.1 低噪声放大器的工作原理 (12) 2.1.1 BJT的工作原理 (13) 2.1.2 PHEMT的工作原理 (14) 2.2 半导体器件仿真的物理模型 (16) 2.2.1 BJT仿真的物理模型 (16) 2.2.2 PHEMT仿真的物理模型 (20) 2.3 本章小结 (21) 第三章微波脉冲作用低噪声放大器效应机理的仿真研究 (22) 3.1 频率对半导体器件热效应影响的理论分析 (22) 3.1.1 理论模型 (22) 3.1.2 数值计算 (24) 3.2 微波脉冲作用BJT的物理机制 (27) 3.2.1 BJT的器件结构 (27) 3.2.2 BJT非线性效应的物理机制 (29) 3.2.3 BJT损伤效应的物理机制 (30) 3.3 微波脉冲作用PHEMT的物理机制 (35) 3.3.1 PHEMT的器件结构 (35) 3.3.2 PHEMT非线性效应的物理机制 (37)
3.3.3 PHEMT损伤效应的物理机制 (39) 3.4 本章小结 (44) 第四章微波脉冲作用低噪声放大器效应规律的实验研究 (46) 4.1 实验系统 (46) 4.1.1 实验对象 (46) 4.1.2 实验平台 (51) 4.1.3 实验规范 (53) 4.2 低噪声放大器非线性效应测试 (54) 4.2.1 BJT型低噪声放大器的非线性效应 (54) 4.2.2 PHEMT型低噪声放大器的非线性效应 (57) 4.3 低噪声放大器损伤效应及其规律 (60) 4.3.1 脉宽对低噪声放大器损伤功率的影响规律 (60) 4.3.2 器件偏压对低噪声放大器损伤功率的影响 (62) 4.3.3 频率对低噪声放大器损伤功率的影响规律 (63) 4.3.4 脉冲个数对低噪声放大器损伤功率的影响规律 (64) 4.3.5 典型波形分析 (65) 4.4 本章小结 (67) 第五章半导体器件失效分析 (69) 5.1 电特性分析 (69) 5.1.1 BJT的电特性分析 (69) 5.1.2 PHEMT的电特性分析 (72) 5.2 微观损伤形貌分析 (74) 5.2.1 BJT的微观损伤形貌分析 (75) 5.2.2 PHEMT的微观损伤形貌分析 (78) 5.3 GaAs PHEMT MMIC的微观损伤形貌分析 (80) 5.3.1 HMC516的微观损伤形貌分析 (80) 5.3.2 AMMC5618的微观损伤形貌分析 (86) 5.4 本章小结 (87) 第六章结论与展望 (89) 6.1 主要工作与结论 (89) 6.2 主要创新点 (91) 6.3 今后工作展望 (92) 致谢 (94)
成绩评定表
课程设计任务书
摘要 本设计是根据要求进行的集成运算放大器的设计，用Protel软件设计实验电路，并绘制出PCB电路板，根据电路图对设计进行制作，最后进行调试测试。通过对Protel软件的学习与应用，加深对相关原理的理解，并对protel软件有初步的认识和一定的操作能力，为后续相关课程和相关软件的学习与应用打下坚实的基础。并根据通信电子线路所学的知识，掌握电路设计，熟悉电路的制作，运用所学理论和方法进行一次综合性设计训练，从而培养独立分析问题和解决问题的能力。根据相关课题的具体要求，按照指导老师的指导，进行具体项目的设计，提高自己的动手能力和综合水平。 本设计采用LM324芯片，它是一个四运算放大器的基本电路，在四运算放大器电路中起到了至关重要的作用。通过LM324芯片与其他相关电子元件的组合，画出调制与解调电路图，并完成PCB电路的绘制，完成课题的设计，可以算是对自我综合能力的一次有益尝试。 关键字：Protel、PCB、LM324、四运算放大器
目录 1 Protel的简要介绍 (5) 1.1 Protel的发展历史 (5) 1.2 Protel99SE简介 (5) 2 设计任务及要求 (6) 2.1设计任务 (6) 2.2设计要求 (6) 3 电路原理介绍 (7) 3.1 反向运算放大器 (7) 3.2 反向加法器 (7) 3.3 差动运算放大器 (7) 3.4积分器电路 (8) 4 原理图设计 (10) 4.1电路元件明细表 (10) 4.2 绘制原理图 (10) 4.3 元件生成清单 (12) 5 印刷版图的绘制 (12) 5.1 准备电路原理图和网络表 (12) 5.2 创建PCB文件以及网络表的装入 (15) 5.3 元件的布局以及印刷板的布线 (15) 6收获和体会 (16) 7 主要参考文献 (17)
微波低噪声放大器的主要技术指标、作用及方案设计 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高。功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，而这也同时对系统的接收灵敏度提出了更高的要求。 1微波低噪声放大器的作用 一般情况下，一个接收系统的接收灵敏度可由以下计算公式来表示： 由上式可见，在各种特定（带宽BW、解调S／N已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机噪声系数的关键部件则是处于接收机 前端的低噪声放大器。 图1所示是接收机射频前端的原理框图。由图1可见，低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以，低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。
2微波低噪声放大器的主要技术指标 2.1噪声系数 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 其中Fmin为晶体管 噪声系数，是由放大器的管子本身决定的，Γopt、Rn和Γs分别为获得Fmin时的 源反射系数、晶体管等效噪声电阻以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器。其噪声系数的计算应为： 其中NFn为第n级放大器的噪声系数，Gn为第n级放大器的增益。 对噪声系数要求较高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，故常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为： 其中Te为放大器的噪声温度，T0=2900K，NF为放大器的噪声系数。 2.2放大器增益 放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率之比： G=Pout／Pin（7）
《集成电路CAD》课程设计报告 课题：基于Spectre运算放大器的设计 一：课程设计目标及任务 利用Cadence软件设计使用差分放大器，设计其原理图，并画出其版图，模拟器各项性能指标，修改宽长比，使其最优化。 二：运算放大器概况 运算放大器（operational amplifier），简称运放（OPA），如图1.1所示： 图1.1运放示意图 运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管或真空管、分立式元件或集成电路元件，运算放大器的效能都已经接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计的，现在多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。 三：原理图的绘制及仿真
3.1原理图的绘制 首先在Cadence电路编辑器界面绘制原理图如下： 图3.1电路原理图 原理图中MOS管的参数如下表： Instance name Model W/m L/m Multiplier Library Cell name View name M1 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol M2 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol M3 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbol M4 pmosl 1.1u 550n 1 Gpdk180 pmos symbol M5 nmosl 800n 500n 1 Gpdk180 nmos symbol
NF(dB)=10lg ? 一个微波管的射频绝对稳定条件是K>1,S 11<1-S12S21,S22<1-S12S21。 低噪声放大器的设计 姓名：####学号：################班级：1######## 一、设计要求 1.中心频率为1.45GHz，带宽为50MHz，即放大器工作在1.40GHz- 1.50GHz频率段； 2.放大器的噪声系数NF<0.8dB，S11<-10dB，S22<-15dB，增益 Gain>15dB。 二、低噪声放大器的主要技术指标 低噪声放大器的性能主要包括噪声系数、合理的增益和稳定性等。 1.噪声系数NF 放大器的噪声系数（用分贝表示）定义如下： ?S in N in? ?S out N out? 式中NF为射频/微波器件的噪声系数；S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪 声功率；S out ，N out 分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是，信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使得信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。 2.放大器的增益Gain 在微波设计中，增益通常被定义为传输给负载的平均功率与信号源的最大资用功率之比： Gain=P L P S 增益的值通常是在固定的频率点上测到的，低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益Gain要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低2～4dB. 3.稳定性 22
只有当3个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。 三、低噪声放大器的设计步骤 1.下载并安装晶体管的库文件 (1)由于ADS2008自带的元器件库里并没有ATF54143的元器件模型，所以 需要从Avago公司的网站上下载A TF54143.zap,并进入ADS主界面,点击【File】——【Unarchive Project】进行安装。 (2)新建工程A TF54143_LNA_1_prj,执行菜单命令【File】—— 【Include/Remove Projects】将A TF54143_prj添加到新建工程中，这样新建工程就能使用器件A TF54143了。 2.确定直流工作点 低噪声放大器的设计的第一步是设置晶体管的直流工作点。 (1)在ADS中执行菜单【File】——【New Design】，在弹出的对话框中的 Schematic Design Templates下拉列表中选择“DC_FET_T”模板，在Name文本框中输入DC_FET_T，单击【OK】，这样DC_FET控件就被 放置在原理图中了。 (2)在原理图中放置器件A TF54143,设置DC_FET控件的参数并连接原理图 如图1所示。 图1完整DC_FET_T原理图 (3)仿真得到A TF54143的直流特性图如图2所示。
正确选择低噪声放大器(LNA) 该应用笔记检验了影响放大器噪声的关键参数，说明不同放大器设计(双极型、JFET输入或CMOS输入设计)对噪声的影响。本文还阐述了如何选择一款适合低频模拟应用(如数据转换器缓冲、应变仪信号放大和麦克风前置放大器)的低噪声放大器。基于CMOS输入放大器，MAX4475，举例说明多数低频模拟应用中这种新型CMOS放大器的设计优势。 目前，有关低噪声放大器的讨论常常关注于RF/无线应用，但实际应用中，噪声对于低频模拟产品(如数据转换器缓冲、应变仪信号放大和麦克风前置放大器)也有很大影响，是一项重要的考虑因素。为了选择一款合适的放大器，设计工程师必须首先了解放大器是否拥有低噪声特性和相关的噪声参数。另外，还要了解不同类型放大器(双极型、JFET输入或CMOS输入)的噪声参数差异。 噪声参数 尽管影响放大器噪声性能的参数有很多，但最重要的两个参数是：电压噪声和电流噪声。电压噪声是指在没有它噪声干扰的情况下，放大器输入短路时出现在输入端的电压波动。电流噪声是指在没有其它噪声干扰的情况下，放大器输入开路时出现在输入端的电流波动。 描述放大器噪声的典型指标是噪声密度，也称作点噪声。电压噪声密度单位为nV/√Hz，电流噪声密度通常表示为pA/√Hz。在低噪声放大器数据资料中可以找到这些参数，而且，一般给出两种频率下的数值：
一个是低于200Hz的闪烁噪声；另一个是在1kHz通带内的噪声。简单起见，这些测量值以放大器输入端为参考，不需要考虑放大器增益。图1所示为电压噪声密度与频率的对应关系曲线。噪声曲线与两个主要的噪声成份有关：闪烁噪声和散粒噪声。闪烁噪声是所有线性器件固有的随机噪声，也称作1/f 噪声，因为噪声振幅与频率成反比。闪烁噪声通常是频率低于200Hz时的主要噪声源，如图1所示。1/f角频率是指噪声大小基本相同、不受频率变化影响的起始频率。散粒噪声是流过正向偏置pn结的电流波动所造成的白噪声，也出现在该频段。值得注意的是：电压噪声的1/f角频率与电流噪声的1/f角频率可能会不同。 图1. 电压噪声密度与频率的关系曲线，主要受两种噪声源的影响：闪烁噪声和散粒噪声。闪烁噪声或1/f噪声与频率成反比，是频率低于200Hz时的主要噪声源。放大器电路的总噪声取决于放大器本身、外部电路阻抗、增益、电路带宽和环境温度等参数。电路的外部电阻
低噪声放大器 一种位于放大链路输入端，针对给定的增益要求，引入尽可能小的内部噪声，并在输出端获得最大可能的信噪比而设计的放大器。 低噪声放大器，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。 低噪声放大器low noise amplifier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 低噪声放大器 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噪声系数F来表示。理想放大器的噪声系数F＝1（0分贝），其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。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 低噪声放大器 噪声放大器则采用变容二极管参量放大器，常温参放的噪声温度Te 可低于几十度(绝对温度)，致冷参量放大器可达20K以下，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 2 分贝。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。在工作频率和信源内阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直流工作点有关。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级联的低噪声放大电路。 应用 噪声放大器(LNA)主要面向移动通信基础设施基站应用，例如收发器无线通信卡、塔顶放大器(TMA)、组合器、中继器以及远端/数字无线宽带头端设备等应用设计，并为低噪声指数(NF, Noise Figure)立下了新标竿。目前无线通信基础设施产业正面临必须在拥挤的频谱内提供最佳信号质量和覆盖度的挑战，接收器灵敏度是基站接收路径设计中最关键的要求之一，合适的LNA选择， 低噪声放大器 特别是第一级LNA可以大幅度改善基站接收器的灵敏度表现，低噪声指数也是关键的设计目标，Avago提供了1900MHz下0.48dB同级产品最佳的噪声指数。另一个关键设计为线性度，它影响了接收器分辨紧密接近信号和假信号分别的能力，三阶截点OIP3可以用来定义线性度，在1900MHz和5V/51mA的典型工作条件下，Avago特有的GaAs
低噪声前置放大器电路设计步骤及相关注意事项 时间：2009-10-14 来源：作者：点击：281 低噪声前置放大器电路设计步骤及相关注意事项 前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，例如置于光盘播放机与高级音响系统功率放大器之间的音频前置放大器。前置放大器是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的，已接收的信号先以较小的增益放大，有时甚至在传送到功率放大器级之前便先行加以调节或修正，如音频前置放大器可先将信号加以均衡及进行音调控制。无论为家庭音响系统还是PDA设计前置放大器，都要面对一个十分头疼的问题，即究竟应该采用哪些元件才恰当？ 元件选择原则 由于运算放大器集成电路体积小巧、性能卓越，因此目前许多前置放大器都采用这类运算放大器芯片。我们为音响系统设计前置放大器电路时，必须清楚知道如何为运算放大器选定适当的技术规格。在设计过程中，系统设计工程师经常会面临以下问题。 是否有必要采用高精度的运算放大器？ 输入信号电平振幅可能会超过运算放大器的错误容限，这并非运算放大器所能接受。若输入信号或共模电压太微弱，设计师应该采用补偿电压(Vos)极低而共模抑制比(CMRR)极高的高精度运算放大器。是否采用高精度运算放大器取决于系统设计需要达到多少倍的放大增益，增益越大，便越需要采用较高准确度的运算放大器。 运算放大器需要什么样的供电电压？ 这个问题要看输入信号的动态电压范围、系统整体供电电压大小以及输出要求才可决定，但不同电源的不同电源抑制比(PSRR)会影响运算放大器的准确性，其中以采用电池供电的系统所受影响最大。此外，功耗大小也与内部电路的静态电流及供电电压有直接的关系。 输出电压是否需要满摆幅？ 低供电电压设计通常都需要满摆幅的输出，以便充分利用整个动态电压范围，以扩大输出信号摆幅。至于满摆幅输入的问题，运算放大器电路的配置会有自己的解决办法。由于前置放大器一般都采用反相或非反相放大器配置，因此输入无需满摆幅，原因是共模电压(Vcm)永远小于输出范围或等于零(只有极少例外，例如设有浮动接地的单供电电压运算放大器)。 增益带宽的问题是否更令人忧虑？ 是的，尤其是对于音频前置放大器来说，这是一个非常令人忧虑的问题。由于人类听觉只能察觉大约由20Hz至20kHz频率范围的声音，因此部分工程师设计音频系统时会忽略或轻视这个“范围较窄”的带宽。事实上，体现音频器件性能的重要技术参数如低总谐波失真(THD)、快速转换率(slew rate)以及低噪声等都是高增益带宽放大器所必须具备的条件。
实验七微波低噪声放大器的设计与测量 一、实验目的 1.了解射频放大器的基本原理与设计方法。 2.利用实验模块实际测量以了解放大器的特性。 3.学会使用微波软件对射频放大器的设计并分析结果。 二、预习内容 1．熟悉放大器原理等理论知识。 2．熟悉放大器设计相关理论知识。 三、实验设备 四、理论分析 一个射频晶体放大器电路可分为三大部分：二端口有源电路、输入匹配电路及输出匹配电路，如图4-1所示。一般而言，二端口有源电路采用共射极（或共源极）三极管（BJT、FET）电路，此外，还包括直流偏压电路。而输入匹配电路及输出匹配电路大多采用无源电路，即利用电容、电感或传输线来设计电路。一般放大器电路，根据输入信号功率不同可以分为小信号放大器、低噪声放大器及功率放大器三类。而小信号放大器依增益参数及设计要求，可分成最大增益及固定增益两类。而就S参数设计而言，则可有单向设计及双边设计两种。本单元仅就小信号放大器来说明射频放大器之基本理论及设计方法。
（一） 单边放大器设计（Unilateral Amplifier Design ） 所谓单边设计即是忽略有源器件S 参数中的S 12，即是S 12=0。此时可得： ΓIN = S 11 及 ΓOUT = S 22 则放大器之单边转换增益(Unilateral Transducer Gain,G TU )为： L O S TU G G G G = 其中 2 2222 21 2 1121111L L L O S S S S G S G S G Γ-Γ-= =Γ-Γ-= 假若电路又符合下列匹配条件： ΓS = S 11* 及 ΓL = S 22* 则可得到此放大器电路之最大单边转换增益(Maximum Unilaterla Transducer Gain,G TU,max )： 2 22 2 212 11 max ,1111S S S G TU -? ?-= （二） 双边放大器设计(Bilateral Amplifier Dseign) 双边设计即是考虑有源器件S 参数中的S 12，即是S 12≠0。此时可得： L L IN S S S S S Γ-Γ+ ==Γ22211211' 111 及 S S OUT S S S S S Γ-Γ+==Γ11211222' 221 若利用最大增益匹配法（亦称共轭阻抗匹配法），则可得 ΓS =ΓIN * 及 ΓL =ΓOUT * 经过推导可利用下列公式计算出最佳输入反射系数ΓSm 和最佳输出反射系数 ΓLm ： 2121211124C C B B Sm ????????-±?=Γ ，2 2 222 22224C C B B Lm ???? ????-±?=Γ 图13-1 放大器电路方框图 L L S S S S S Γ-Γ+ =22211211'11 1L L S S S S S Γ -Γ + =22211211 '111S S S S S S S Γ-Γ+ =11211222'22 1S IN 11ΓL Γ OUT = S ’22 R S L
目录 第1章摘要 (2) 第2章设计目的及设计要求 (2) 第3章基本原理 (2) 3.1 基本文氏振荡器 (2) 3.2 振荡条件 (3) 3.3 振荡频率与振荡波形 (5) 第4章参数设计及运算 (6) 4.1 器件选择 (6) 4.2 参数计算 (6) 4.3 波形仿真图 (9) 第5章结论及误差分析 (13) 心得体会 (14) 参考文献 (15)
第1章摘要 本文中介绍了一种基于运算放大器的文氏电桥正弦波发生器。经测试，该发生器能产生频率为100-1000Hz的正弦波，且能在较小的误差范围内将振幅限制在2.5V以内，通过电位器的调节使频率在100HZ-1000HZ内变化。 无论是从数学意义上还是从实际的意义上，正弦波都是最基本的波形之一——在数学上，任何其他波形都可以表示为基本正弦波的傅里叶组合;从实际意义上来讲，它作为测试信号、参考信号以及载波信号而被广泛的应用。在运算放大电路中，最适于发生正弦波的是文氏电桥振荡器与正交振荡器,本文将对文氏桥振荡器进行讨论。 第2章设计目的及要求 2.1、设计目的： （1）.掌握波形产生电路的设计、组装和调试的方法； （2）.熟悉集成电路：集成运算放大器LN356N。并掌握其工作原理，组成文氏电桥振路。 2.2、设计要求： （1）设计波形产生电路。 （2)信号频率范围：100Hz——1000Hz。 (3)信号波形：正弦波。 (4)画出波形产生电路原理图，写出终结报告。 第3章基本原理 3.1正弦振荡器的组成 （1)放大电路：放大信号 （2)反馈网络：必须是正反馈，反馈信号即是放大电路的输入信号 （3)选频网络：保证输出为单一频率的正弦波，即使电路只在某一特定频率下满足自激振荡条件
低噪声放大器设计指南 文件标识：基础知识 当前版本： 1.0 作者：刘明宇 日期：2006.12.2 审阅\修改： 修改日期： 文件存放： 版本历史 版本作者日期修改内容 盖受控章 除非加盖文件受控章，本文一经打印或复印即为非
1．低噪声放大器在通讯系统中的作用 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下： S = -174+ NF+10㏒BW+S/N (1) min 由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N 已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。 低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 2． 低噪声放大器的主要技术指标： 2．1 噪声系数NF 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： out out in in N S N S NF //= 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 222min |1)||1(||4opt s opt s n R NF NF Γ?Γ?Γ?Γ+= 其中 F min 为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的， Γopt 、Rn 和Γs分别为获得 F min 时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： NF=NF 1+(NF -1)/G 1+(NF 3-1)/G 1G + (4) 22其中NF n 为第n级放大器的噪声系数，G n 为第n级放大器的增益。 在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为： T e = T 0 ( NF – 1 ) （5） 其中T e 为放大器的噪声温度，T 0 =2900 K，NF为放大器的噪声系数。 NF(dB) = 10LgNF （6） 2． 2 放大器增益G： 放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值： G=P out / P in （7） 从式（4）中可见，提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪