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 C Sm
????????-±?=Γ ，2
2
222
22224C C B B C Lm ????
????-±?=Γ
图13-1 放大器电路方框图 L
L
S S S S S Γ-Γ+
=22211211'11
1S
S
S S S S S Γ-Γ+
=11211222'22
1S IN 11ΓL
ΓOUT = S ’22 R S
L
其中
21
1222111122222
1112
2
222
1122222211111S S S S S S C S S C S S B S S B -=???-=??-=?
-+-=?--+=
（三） 单边设计评价因子（Unilateral Figure of Merit , M ）
在判断有源元件是否适用单边设计时，主要看它的评价因子是否够小。一般而言，当M 值小于0.03或-15dB 时即可采用单边设计。
其计算公式如下：
)
1()1(2
222
1122112112S S S S S S M -?-???=
最大增益误差比则为：
2
max ,2)
1(1
)1(1M G G M TU T -<<+
其中G T 是有源元件的转换增益(Transducer Gain) 2
211222112
2212)1)(1()1()1(L
S L S L S T S S S S S G ΓΓ-Γ-Γ-Γ-??Γ-=
（四） 放大器的稳定条件（Stability Criteria ）
（1） 无条件稳定Unconditionally stable ）
一个良好的放大器设计电路除考虑增益和输出入匹配外，还需要考虑放大器在工件频段中是否为无条件稳定，以避免电路产生振荡。如图5-2（a ）所示:
对于一个放大器电路而言，其有源器件在ΓS =0及ΓL =0情况下，无条件稳定的充要条件为
K > 1 ， |S 11| < 1 且 |S 22| < 1
其中K 称为稳定因子（stability factor ）
21
122
22221121S S S S K ??
+--=
（2）条件稳定（Conditionally stable ）
当有源器件不符合上述无条件稳定的三大规定时，即称为条件稳定。在此情况下，在输入端平面及输出端平面，必存一些不稳定区域，如图5-2（b ）所示:
而在设计输出入匹配电路时，务必避免使用这些区域，以免造成放大器电路自激。 其对应无条件稳定的条件为
||c S | - r S | > 1，|S 11|< 1 且 ||c L | - r L | > 1，|S 22|< 1
而条件稳定则是
||c S | - r S | < 1，|S 11|< 1 或 ||c L | - r L | < 1，|S 22|< 1
（A ）输出稳定圆（Load Stability Circle ）：
L L L r c =-Γ
半径 2
2
222112?
-=
S S S r L ； 圆心 2
2
222?
-=
S C c L
（B ）输入稳定圆（ Source Stability Circle ）：
s s S r c =-Γ
半径 2
2
112112?
-=
S S S r s ； 圆心 2
2
111?
-=
S C c s
(五) 设计步骤：
步骤一：设定放大器工件频率(f 0)与输出入阻抗(R S , R L )。一般射频放大器的输出入阻抗设定为50Ω。
步骤二：根据电源选用晶体三极管，同时设定三极管的偏压条件(VCE ,I C )，决定出在该条件下的三极管的S 参数(S 11,S 21, 12,S 22)，并设计适用它的偏压电路。
步骤三：将步骤二所获得的S 参数代入上述公式计算出下列设计参数。
稳定因子，K
图13-2 条件稳定圆示意图
| - r L | < 1 22 | < 1
| |c S | - r | S 11 )
单边设计评价因子，M
最大单边转换增益，G TU,max
输入稳定圆的圆心，C S及半径，r S
输出稳定圆的圆心，C L及半径，r L
最佳输入反射系数ΓSm
最佳输出反射系数ΓLm
步骤四：检查K值是否小于1。若K值大于1，则为无条件稳定可进行下一步骤。若小于，则须将输出入稳定圆标示于单位圆的史密斯圆图上，以便在设计输出入匹配电路时，避免使用到不稳定区域（如图5-2(b)）所示。
步骤五：检查M值是否够小。
（1）若M值接近0.03(-15dB)则适用单边设计，可得
ΓS = S11*及ΓL = S22*
最大增益即为G TU,max
（2）若M值大于0.03(-15dB)则须用双边设计，可得
ΓS =ΓSm 及ΓL =ΓLm
最大增益即为G T,max
步骤六：利用步骤五所得ΓS及ΓL设计输出入匹配电路
五、模块测量
1、对LNA,MMIC放大器的S11及S21测量以了解MMIC放大电路的特性。对LNA,BJT放大
器的S11及S21测量以了解射频BJT放大电路的特性。
2、准备扫频仪、同轴检波器、示波器、相关模块等。
3、测量步骤：
一、用标量网络分析仪的测量方法：
⑴ LNA的P1端子的S11测量：设定频段：BAND-4；用DC-1连接线将后面12VDC输
出端子连接起来；对模块P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表（9-1）中。
⑵ LNA的P1及P2端子的S21测量:设定频段: BAND-4；对模块P1及P2端子做S21
测量，并将测量结果记录于表(9-2)中。
⑶ LNA的P3端子的S11测量：设定频段：BAND-4；对模块P3端子做S11测量，并
将测量结果记录于表（9-3）中。
⑷ LNA的P3及P4端子的S21测量：设定频段：BAND-4；对模块P3及P4端子做S21
测量，并将测量结果记录于表（9-4）中。
4、实验记录表9-1、9-2、9-3、9-4均为以下此表:
二、用扫频仪、同轴检波器、示波器、相关模块的测量方法：
⑴ 将示波器打到X-Y 挡，扫频仪扫瞄输出接示波器的
X 输入作为水平频率线。 ⑵将扫频仪射频输出接LNA ，中心频率为2600MHz ，滤波器输出接微波同轴检波
器，然后接到示波器Y 轴挡。将扫频仪扫瞄带宽打到200MHz ，带通滤波器带宽为20MHz ，用扫频仪Maker 频标观查测量带内波动。注意扫频仪输出打到－30dBm 。
⑶带内增益的测量，去掉LNA
，直接将扫频仪输出接微波同轴检波器，到示波器观
查前后两种情况下的电平差别，再调节扫频仪输出使两种情况示波器指示相同，记下两次的电平差，可测出带内增益分贝数。 ⑷其它指标测量方法同前。
图5-2 微波滤波器测量方框图
HEFEI UNIVERSITY 程控放大器的设计 系别电子信息与电气工程系 专业电气信息类 班级09级电气(4)班 姓名李浩刘阳程超 完成时间2011年3月14日
摘要：本设计由三个模块电路构成：前即高共模抑制比仪器,8wei DAC0832衰减器，和单片机键盘显示处理模块。前级模拟放大部分具有高共模抑制比，高输入电阻，可调节放大倍数；DAC衰减器将模拟放大器的输出信号进行相应的衰减；键盘输入信号放大的倍数，并同时选取适当放大倍数，通过单片机整体控制，实现信号方大的功能。 一：方案设计与论证 1.放大电路 可行方案：如图所示，线路前级为同相差动放大结构，要求量运放的性能万群相同，这样，线路除具有差模,，共模输入电阻大的特点外，量运放的共模增益，失调机其漂移长生的误差也相互抵消，因而不需要精密匹配电阻。后即的作用是抑制共模信号，将双端输出转变为单端放大输出，一室印发给接地负载的需要，后即的带你组精密则要求匹配。增益分配一般前级去高值。 可改进为：因为其电路结构简单，易于定位和控制。但要调节增益必须手动调节变阻器，所以考虑将放大倍数设成固定值，以满足题目的需要。 2．控制部分 利用单片机，MCU最小系统可由51单片机或其他派生芯片构成。置数键可由0－9这10个数字级几个功能键组成，在软件的控制下，单片机开机后先将预置数输入，在送去显示的同时，送入DA然后等待键盘终端，并做相应的处理。 二：系统总体设计方案 1.总体设计思路 根据题目的要求，我们认真取舍，充分利用了模拟和数字系统的有点，采用单片机控制放大器增大的方法，大大的提高了系统的精密度；采用仪器放大其输入，大大提高了放大器的质量。有篇运放构成的前几高共模输入的仪表差动放大器，对不同的差模输入信号电压进行不同的方大倍数，再经过后即的数控衰减器得到要求放大的倍数的输出信号。每种信号渡江在单片机的算法控制下得到最合理的前几放大和后即衰减，一是信号放大的质量最佳。
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。
单片分布微波放大器的设计 分布式放大器能提供很宽的频率范围和较高的增益。有一段时间，其设计通常采用传输线作为输入和输出匹配电路。Bill Packard(惠普公司的创始人之一)早在1948年就在其论文中提出了基于分布式设计的真空管放大器电路。随着砷化镓(GaAs)微波微波单片集成电路的发展成熟，为了提高效率、输出功率、减小噪声系数，人们提出了很多种放大器电路类型，但是分布式放大器仍然是宽带电路(如光通信电路)的主流设计。理解砷化镓微波单片集成电路GaAs MMIC分布式放大器的设计，对很多宽带电路的应用都会有很大的帮助。 约翰·霍普金斯大学从198?年开始就开设了MMIC设计课程，并在让学生在TriQuint公司的产线上流片。一款由Craig Moore(从198?年到2003年，他一直担任该课程的助教)设计的分布式放大器作为该课程一个经典的设计例子。该设计甚至经历了低温环境实验，在液氮的低温下表现出更低的噪声系数。该放大器采用TriQuint公司的0.5μm GaAs MESFET工艺，其增益比基于0.5μm GaAs伪高电子迁移率晶体管PHEMT的新电路略低，2006年的新课程中则采用了新版本的0.5μm GaAs PHEMT分布放大器和一些其他电路作为例子。本文将介绍宽带放大器的设计方法以及仿真和实测的结果。 图1：采用微带传输线的分布式放大器电路结构图。 分布式放大器使用宽带传输线给一组有源器件注入输入信号(如图1)，同时另一条并行的传输线用于收集各个有源器件的输出信号，并将其叠加。每一级提供相当的增益，但是增益分布在一个很宽的频率范围内。和级联设计相比，总增益是各级增益之和，而不是各级增益的乘积。但使用集总参数元件来近似分布式传输线时(如图2)，集总参数传输线的到地并联电容，被晶体管的寄生电容代替。集总参数元件的等效传输线作为一个低通滤波器使用，其截止频率和晶体管的寄生电容成反比。因此晶体管的尺寸直接决定了电路的工作频率上限。设计总要综合考虑的各种参数包括：放大器的级数、有源器件的尺寸、器件的工艺类型(如果有多种类型)以及每一级的直流偏置。更多的级数意味着更大的增益-带宽积，但是也会引入更大的功耗。一旦晶体管的尺寸确定，就可以使用仿真软件来优化增益、反射系数、输出功率和噪声系数等各项参数。 图2：采用集总参数元件的分布式放大器电路结构图(其中CGS和CDS分别表示栅电容和漏极电容)。 由于分布式放大器的应用场合很多，对各项性能指标的要求很灵活，宽带增益是其中最重要的一项指标。在Craig Moore这个设计例子中，采用了增强型PHEMT器件，因为增强型器件只需要一组正电压供电。为了能提供和198?年TriQuint半导体公司采用的 0.5μm GaAs MESFET工艺的电路相同的性能，该设计采用了0.5μm GaAs PHEMT工艺，并且使用3级晶体管放大拓扑。为了适应电池供电的应用，选用3.3V电压。当然为了满足不同的客户需求，工作电压和电流可以方便的在较大范围内调节。在1.5V和14mA的供电下，仿真结果显示：仅损失了2dB增益，并且栅电压在1.5V到5.0V，漏极电流在14~35mA之间变化时，性能的变化也很小。为达到最佳增益、匹配性能，采用安捷伦?司的计算机辅助工程软件ADS 进行线性仿真，确定合适的电感值、PHEMT尺寸。 图3：PHEMT分布式放大器的匹配、增益、噪声系数和稳定因子的仿真结果。 通过理想的仿真计算，该设计选用了6×30μm的增强型PHEMT器件，Craig Moore 的198?年的设计中在MESFET管的漏极增加了一些额外的匹配元件，以保证有效输出电容和栅极输入容抗相同。此时输入和输出的集总参数传输线将是对称的，其相位延迟也相同。文章还比较了这种输入输出传输线对称的匹配方案和另一种漏级电容独立优化的方案(漏极电
3.16多级放大电路的设计与测试 一．实验目的 1.理解多级放大直接耦合放大电路的工作原理和设计方法。 2.学习并熟悉设计高增益的多级直接耦合放大电路的方法。 3.掌握多级放大器性能指标的测试方法。 4.掌握再放大电路中引入负反馈的方法。 二．实验预习与思考 基本要求： 用给定的三极管2SC1815（NPN），2SA1015(PNP)设计多级放大器，已知Vcc=+12V，Vee=-12V，要求设计差分放大器恒流源的射极电流Ieq3=1-1.5mA,第二放大级射极电流Ieq4=2-3mA；差分放大器的单端输出不失真电压增益至少大于10倍，主放大级的不失真电压增益不小于100倍；双端输入电阻大于10KOhm，输出电阻小于10Ohm，并保证输入级和输出级的直流电流为为零。 三．测试方法 静态工作点、增益、输入、输出阻抗、幅频特性等测试方法请参看前面的教学内容。 四．实验内容 用Multisim仿真设计结果，并调节电路参数以满足性能指标要求。给出仿真结果。 仿真实验电路： 测得放大电路单端输入电阻约为10KOhm，放大倍率3094.53倍。 由于放大倍率较大，如采用Ui=5mV，10kHz交流电，则放大电压Uo=Ui*Au=15.47V，超出了放大电路的最大输出，因此接下来的仿真实验采用交流电压为100uV，500Hz的交流电源。 测试电路： 2.电路放大倍率的测试
倍Au=3094.53总放大倍数： 测试电路：测试截图：差分输入，输出波形：主放大级输入、输出波形：总输入，输出波形：输入电阻测试2.Ri R U' U 10.372kOhm 49.085uV 10kOhm 100uV :测试电路：测试结果Ro=4.032hm 输出电阻： 370 1850 3.7K 18.5 37K 74K 185K 370K Au(dB) 69.790 69.811 69.798 69.328 67.71 65.573 54.922 46.614 分析电路： 测试结果：
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
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)
微波线性功率放大器设计研究 摘要随着4G无线通信和军事领域新标准新技术的迅速发展，对于作为微波通信系统、雷达、电子对抗、宽带频率调制发射机、数字电视发射机等系统核心部件的功率放大器来说，它不仅仅是将信号放大到足够的功率电平，以实现信号的发射、远距离传输和可靠接收，而且对带宽、输出功率、线性度、效率和可靠性方面都提出了更高的要求。功率放大器的好坏成为制约系统发展的瓶颈。因此对于微波功率放大器的研究和设计有着重要的意义。 关键词微波；线性功率放大器；设计 前言 在宽带通信系统中，如多载波调制OFDM、长期演进系统LTE，都是非恒包络调制信号，信号的峰均比很高，回退放大器会大大降低工作效率，有必要采取有源线性化技术，射频预失真技术顺势而生，它只需在射频通路增加很少的射频元器件，就可达到提高功放输出功率、降低系统功耗、节约系统成本的效果。 1 原理 美国Scintera公司推出的射频数字预失真（RF DPD）产品RFPALSC18xx 系列，为数字预失真提出了新的解决方案。RFPAL工作午射频频率上，只涉及到射频通路的信号输入和输出，比较方便和功放集成，它具有较高的集成度，电路设计简单。其最新产品SC 1894，工作频率168MHz至3800MHz，输入信号带宽25kHz至75MHz，它利用功放输出信号和输入信号计算功放非线性参数，具有自适应调节功能，与工作在SW至60 W平均输出功率的A/AB类或Doherty 放大器一起使用，最高能達到28dB。的临波道抑制和38dB的三阶交调系数改善。它采用QFN管脚封装，支持外部时钟输入，低功耗设计，最大功耗仅为990mW。SC1894所采用的射频预失真技术可补偿调幅至调幅（AM～AM）和调幅至调相（AM-PM）失真、互调失真和功放记忆效应，采用反馈信息补偿由于温差和功放老化造成的信号失真。图1a）是SC1894管脚封装及典型外围电路，b）是基于SCI894实现射频预失真的原理框图。 射频信号经过输入定向耦合器耦合出输入信号RFin，经过巴伦匹配和阻抗变换进入芯片，功放输出信号进过反馈定向耦合器和阻抗匹配后进入芯片RFFB 管脚，SC1894通过处理这两个信号对功放进行建模和预失真处理，并输出预失真处理信号，通过定向耦合器叠加至输入信号端，最后输出预失真以后的信号。 当频率高于3800MHz时，我们采用变频模式的射频预失真电路，如图2所示，输入信号从中频通过定向耦合器进入SC1894的RFIN端口，功放输出信号经过定向耦合器，下变频至3800MHz以内的中频频率，送入芯片RFFB端口，进行自适应预失真处理，输出信号RFOUT通过反向定向耦合器进入发射通路[1]。
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）
测量放大电路的设计 作者： 【摘要】：测量放大器能够将微弱的电信号进行放大，在生活中应用也十分广泛，如在自动控制领域，往往需要用电压信号进行控制，也就必然离不开电压测量放大器，由于测量放大器应用十分广泛，因而现在已经有集成的测量放大器供使用了。本次设计就是围绕测量放大器展开的，测量放大器主要是通过运用集成运放将所测量的信号进行不失真的放大，并且不对所测量的电路产生影响，这就是需要放大器有高的输入电阻和较高的共模抑制比。 【关键字】：放大电路二阶高通有源滤波器二级低通有源滤波器 一、设计技术与要求： 如图所示，测量放大器由基本测量放大器、二阶高通有源滤波器、二阶 低通有源滤波器三部分组成。 1、性能技术指标： （1）输入阻抗Ri>1m? （2）电压放大倍数Au≥1000（即输入信号Ui-p=1mv时，输出信号Uop-p>1v （3）频带宽度B=10?10KHZ （4）共模抑制比Kcmr>80dB 二：基本测量放大电路 如下图：放大器电路有两个同相放大器和一个基本差动放大电路组合而成；该电路具有输入阻抗高、电压增益容易调节，输出不包含共模信号等优点。若不接R时，该电路由于引入了串联负反馈，所以其差模输入电阻Rid和共模输入电阻Ric都很大；当接入电阻R后，由于R很小，则R与Rid(或Ric)并联后，该电路的差模输入电阻Rid≈2R，共模输入电阻Ric≈R/2。其中RL是负载电阻。 基本放大电路有（前置放大电路组成）下：
图（1） 1其中放大倍数： Aud1==1+2R2/R1=81 Aud1’==1+2R2/R1=31
2其中放大倍为： Aud2==Rf/R3=20 由上可知在前置放大电路中，总的放大倍数为： Aud==Aud1·Aud2=81·20=1620 Aud==Aud1’·Aud2=31·20=620 由以上电路图（2）可观察到，Ri1是一个高输入阻抗的模块的组合放大电路，即输入电阻 Ri1=∞Ω>1MΩ 但由于引入了电阻R，因此，其引入的R达到要求的指标，两个R串联电阻之和2R满足： R>0.5MΩ 为了有更好显示效果，取标称值R=1.2MΩ。 同时，共模抑制比K CMR ，由于放大电路由两级放大电路组成，K CM R1 表示第 一级放大电路的共模抑制比， K CMR2 表示第二级放大电路的共模抑制比，即该型运放的共模抑制比，则 K CMR = K CM R1 ·K CMR2 其中，K CM R1=Aud1/Auc1，K CMR2 = Aud2/Auc2。 又Aud1≥1，K CM R1 ≥1，因此有; Aud1≈1+2R2/R1=81，Aud1==1+2R2/R1=31， Auc1≈1 则有K CM R1=Aud1/Auc1≈Aud1≈81，K CM R1 =Aud1/Auc1≈Aud1≈31，
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
微波通信 课程设计说明书 微波低噪声放大器的设计 起止日期：年月日至年月日 学生 班级 学号 成绩 指导教师(签字) 年月日
目录 一、设计原理 (1) 二、设计设备 (4) 三、设计步骤 (4) 四、设计结果及分析 (5) 五、软件仿真 (7) 六、总结体会 (13)
微波放大器的设计 一、设计原理 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。 1.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 ΓL = ΓOUT * 图1 放大器电路方框图 L L S S S S S Γ-Γ+ =22211211'11 1S S S S S S S Γ-Γ+ =11211222'22 1 S IN 11ΓL ΓOUT = S ’22 R S L
测量放大器 摘要：放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。 测量放大器也称为仪表放大器或数据放大器，它是一种可以用来放大微弱差值信号的高精度放大器，在测量控制等领域具有广泛的用途。通常，测量放大器多采用专用集成模块来实现，虽然有很高的性能指标，但不便于实现增益的预置与数字控制，同时价格较高。为此，结合应用实际，利用高增益运放，设计了一种具有高共模抑制比，高增益数控可显的测量放大器。提高了测量放大器的性能指标，并实现放大器增益较大范围的步进调节。 本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计一测量放大器及其所用的稳压电源,并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求.。测量放大器主要实现对微信号的测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱信号的放大，要求有较高的共模抑制能力及较高的输入电阻，减少测量的误差及对被测电路的影响，并要求放大器的放大倍数可调已实现对比较大的范围的被测信号的测量。 测量放大器前级主要用差分输入，经过双端信号到单端信号的转换，最终经比例放大进行放大。 2.1设计任务
设计并制作一个测量放大器及所用的直流稳压电源。参见图1。输入信号V I取自桥式测量电路的输出。当R1＝R2＝R3＝R4时，V I＝0。R2改变时，产生V I≠0的电压信号。测量电路与放大器之间有1米长的连接线。 2.2测量放大器的设计 2.2.1 设计内容及要求 a. 差模电压放大倍数A VD＝1～500，可手动调节； b. 最大输出电压为± 10V，非线性误差< 0.5％； c. 在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比K CMR >105 ； d. 在A VD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V； e. 通频带0～10Hz 2.2.2设计原理 原理概述: 放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大的帮助。信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。 测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，常用于热电偶，应变电桥.流量计，生物电测量以及其他有较大共模干扰的支流缓变微弱信号的检测。 测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，因此得到广泛的应用。差分放大器和测量放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和测量放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（ＣＭＲ）。它们通常不需要外部反馈网络。
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
测量放大器能够将微弱的电信号进行放大，在生活中应用也十分广泛，如在自动控制领域，往往需要用电压信号进行控制，也就必然离不开电压测量放大器，由于测量放大器应用十分广泛，因而现在已经有集成的测量放大器供使用了。本次设计就是围绕测量放大器展开的，测量放大器主要是通过运用集成运放将所测量的信号进行不失真的放大，并且不对所测量的电路产生影响，这就是需要放大器有较高的输入电阻和较高的共模抑制比。 一、实验目的 学习测量放大器的设计方法，掌握测量放大器的调试方法。二、实验要求 在许多测试场合，传感器输出的信号往往很微弱，而且伴随有很大的共模电压（包括干扰电压），一般对这种信号需要采用测量放大器。测量放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。请设计一个测量放大器： 指标要求： a.当输入信号峰峰值uip-p=1mV时，输出电压信号峰峰值 uop-p=1V。 b.输入阻抗：Ri>1MΩ c. 频带宽度：Δf（-3dB）=1Hz~1kHz d.共模抑制比：CMRR > 70dB
三、实验内容 1、前端后端放大电路设计与论证 测量放大器部分 (1)低噪声前端放大电路的设计 最初方案如图1。本电路结构简单，输入阻抗较高，放大倍数可调，但是共模抑制比较小。实测只达到104，所以我们放弃本方案，选择了第二个方案，如图2。此电路的优点在于输入电压接在两个运放的同相端，输入阻抗高，共模抑制比大，可满足要求。其中，直流信号的共模抑制比实测可达2.5×106，交流信号的共模抑制比可达 2×105。由电路的对称性可知共模信号被有效地抑制，而差模信号放大了10 倍，从而提高了共模抑制比。另外，温度在两个输入端引起的漂移是共模信号，对输出电压影响很小，无需另加补偿。 图1低噪声前置放大电路的设计