• 第1部分

• 第2部分

• 第3部分

小信号、低噪声射频放大器的设计是一个循序渐进的逻辑过程，每个问题都有精确的解决方案。为了帮助设计人员，许多书籍提供了完整的原理图，其中包含“适应给定应用程序需求”的组件值。但这种电路是为一组特定的操作条件而设计的，可能不符合您的要求。在这些文本的设计程序的缺乏可以让读者无助时，试图使他们的电路，以一组特定的操作条件。

本文采用了相反的方法。它提出了一个详细的设计过程，一步一步的程序允许您选择您想要的LNA，并在任何实际的操作条件下操作它。您不再需要根据您的规格调整别人的原理图。相反，您可以创建自己的RF低噪声放大器，并针对目标应用进行优化。

本文(第1部分)从传输线的简要概述和射频功率增益定义的提示开始讨论。

在第2部分中，我们将使用散射参数(s参数)作为设计工具，通过检查稳定性(振荡趋势)，阻抗匹配和一般放大器设计，进入低噪声放大器的RF方面。

第3部分通过展示应用程序示例来完成本系列。第一个演示了如何在最大可用增益条件下匹配LNA。第二部分处理在恒定期望增益条件下匹配的LNA。第三个演习强调在稳定地区匹配潜在不稳定的LNA的重要性。

在线背景(反射和传输)

从源阻抗Z(s)发出并传递到负载Z(L)的电压、电流或功率可以看作是沿特征阻抗Z(o)的传输线沿相反方向传播的入射波和反射波之和。如果Z(L)完全等于Z(o)，则入射波完全被负载吸收，不产生反射波。

如果Z(L)与Z(o)不同，则部分入射波不被负载吸收，而是向源反射回去。如果源阻抗Z(s)等于Z(o)，则来自负载的反射波在源中被吸收，不再发生反射。当Z(s)不等于Z(o)时，来自负载的反射波的一部分从源重新反射回负载。对于无损传输线，这个过程无限重复。

Z(o)和Z(L)(或Z(s))之间的不匹配程度决定了入射波的反射量。反射波与入射波的比值被称为反射系数，它是传输线与终端阻抗匹配质量的简单度量。反射系数Γ是一个复数，以极坐标形式表示为幅度和角度:

图1所示

随着传输线特性阻抗与终端阻抗匹配程度的提高，反射波变小。因此，反射系数(Γ)减小。当匹配完美时，没有反射波，Γ等于零。如果负载阻抗是开路或短路，则负载中不能吸收入射功率，所有入射功率都必须反射回源。在这种情况下，Γ = 1。Γ的正常震级范围在0到1之间。

对于反射系数大于1的情况，从负载阻抗反射的波的大小应大于入射到该负载的波的大小。由此可见，所讨论的负载一定是电源。这个概念在设计振荡器时很有用，但在放大器的输入网络中，它代表坏消息。反射系数可以用所考虑的阻抗来表示。例如，荷载处的反射系数可表示为:

对于微波和射频网络中的阻抗匹配，源和负载阻抗通常用源反射系数(Γ(s))和负载反射系数(Γ(L))表示。入射波和反射波用波流图表示。流图允许您基于网络中不同变量之间的线性关系构建图形，它们有助于快速构建网络中两点之间的传递函数。

每个变量由图中的一个节点表示，不同的节点通过指示路径连接在一起，指示路径给出了相关变量和不相关变量之间的关系。路径从表示自变量的节点指向表示因变量的节点，并为每条路径分配与连接两个变量的反射系数相关的增益。

微波负载及电源:

图1-2a负荷流图。	图1-2b负载反射系数。

变量a和b是与入射波和反射波有关的复值。变量b(反射波)的存在取决于变量a(入射波)的存在。

图1-3a。电源反射系数。	图1-3b。电源流程图。

Γ(s) = b/a为b(s) = 0时与电源相关的反射系数。
B (s) = B为电源提供100%匹配负载时的入射波。

s参数和双端口网络

通过在电源和负载之间插入一个双端口网络图1-3a，我们生产的电路图2 - 1． 对于任何从源处产生的行波，可以这样说:

• 在源处产生并入射到双端口设备(a1)上的波的一部分将被反射(b1)，另一部分将通过双端口设备传输。

• 传输信号的一部分然后从负载反射并入射到双端口设备(a2)的输出端口上。

• 然后，一部分信号(a2)从输出端口反射回负载(b2)，而一部分则通过双端口设备传输到源。

图2 - 1

从上面的讨论可以明显看出，电路中存在的任何行波都是由两个分量组成的。例如，从两端口设备的输出流向负载的行波分量包括从两端口设备的输出反射的a2部分和通过两端口设备传输的a1部分。类似地，从双端口设备的输入端流向源端的行波由从输入端反射的a1的部分和通过双端口设备传输的a2的部分组成。如果我们把这些观察结果写成方程形式，我们会得到:

b(1) = S(11)a(1) + S(12)a(2)
b(2) = S(21)a(1) + S(22)a(2)

地点:

S(11) =输入反射系数
S(12) =反向透射系数
S(21) =正向传输系数
S(22) =输出反射系数得尔塔S = (S(11)S(22) - S(21) S(12))

如果设a(2) = 0，则S(11) = b(1)/a(1) | a(2) = 0。
如果设a(1) = 0，则S(22) = b(2)/a(2) | a(1) = 0。

根据定义，反射波除以入射波等于反射系数，如上所述，对于双端口网络的输入和输出。双端口网络(LNA)的散射参数(s参数)可以完全表征它的特性。使用这些参数，您可以计算潜在的不稳定性(振荡倾向)，最大可用增益，输入和输出阻抗以及传感器增益。您还可以计算最佳源和负载阻抗，用于同时共轭匹配，或者只是为了帮助选择特定的源和负载阻抗用于指定的换能器增益。

图2-2a显示可用增益定义的双端口网络连接。Γin为双端口输入反射系数，输出端接Γ(L)。Γout是双端口输出反射系数，只要输入端以Γ(s)终止即可。

图2-2a

加载双端口网络的流程图(图2-2b)显示了一个闭环，允许从一个节点开始并返回到该节点，而无需经过两次。我们的双端口网络(例如LNA)说明了这些循环的确切物理意义，其输出在负载Γ(L) (图2 - 3）.

图2-2b

图2 - 3

为了定义反射回输入的波b(1)，我们只需沿着从a(1)到b(1)的不同路径。可能的路径如下:

(11),年代(21)Γ(L) (12), S(21)Γ(L)(22)Γ(L) (12), S(21)Γ(L)(22)Γ(L)(22)Γ(L)(12),…

看起来环路S(22)Γ(2)表示由于输出和不匹配负载之间的双端口网络反射系数而产生的多重反射。

两个端口的网络输入反射系数为:

当我们关闭源阻抗上的双端口网络输入时，从输出中看到的反射系数为(图2 - 4)：

图2 - 4

双端口网络的增益

波a和波b与功率的概念直接相关。不像低频域，电流和电压增益是主要的兴趣，在射频和微波领域只考虑功率增益。双端口设备使用的不同增益定义如下，但首先考虑一些关于电力的事实。

最大可用功率

传递给负载的功率量很容易确定，如源b(s)， Γ(s)连接到负载终端Γ(L)所示(图3 - 1）. 当Γ(s) = Γ(L)*时，源向匹配负载传递的功率定义为源的最大可用功率(传输的最大功率)。在这些条件下，一半的功率在源中耗散，另一半耗散(传输)到负载中。流程如图3-1所示。

图3 - 1

从光源看到的反射为:

传递给负载的功率可以表示为

当Γ(L) = Γ(s)*时，源可以提供

星号表示复共轭，其大小相同，但角度符号相反。

双端口网络功率增益

也被定义为工作增益或期望增益，它是我们希望从双端口网络(LNA)中获得的特定增益，用于特定应用:

式中P(2)为双端口输出负载的耗散功率:

其中P(1)是双端口输入所吸收的功率

从图2-4的流程图中，我们可以很容易地推断出b(2)与a(1)的关系:

与

双端口网络功率增益(工作或期望)为:

双端口网络的最大可用增益

当Γ(L)* = Γ(OUT)时，可从双端口网络获得的最大增益是换能器增益的特殊情况。对于双端口网络，最大可用增益G(AV)定义为输出端可用功率与源端可用功率的比值，数学表达式为G(AV) = P(2AV)/P(1AV)。P(2AV)为可用输出功率，P(1AV)为电源可用功率。由于最大可用增益可以指示LNA是否有足够的增益来完成任务，因此该参数的计算可以作为LNA的初步筛选标准。

图2-4双端口网络输出的初始波b(s2)表示为:

在双端口输入时，电源能够供电(图2-2b和图2-3):

双端口输出的可用功率为:

表示为双端口网络输入源的函数，

如式(4-7)所示:

Γ(out) = s (22) + (s (21)Γ(s) s (12) / 1 - s (11)Γ(s)

最大可用增益因子取决于源端Γ(s)和双端口s参数。最大可用增益取决于双端口输出共轭匹配Γ(L)。因此，Γ(L) = Γ(out)*。如式2-2所示，Γ(out)是Γ(S)与两端口参数的函数:

双端口输出负载的可用功率是发送到双端口输入的功率的函数，发送到双端口输入的功率取决于Γ(s)和Γ(in)之间的不匹配。为了确定电源的可用功率，必须用复合共轭负载终止电源。

传感器获得

换能器增益(射频放大器设计中最常用的增益术语)定义为源传递给负载的输出功率P(2)除以源提供的最大功率。换能器增益包括输入和输出阻抗匹配的影响，以及LNA对放大器级总体增益的贡献。换能器增益忽略元件的电阻损耗。

为了完成换能器增益方程，定义b(s)(源初始波)为b(s2)的函数，b(s2)是从双端口输出看到的初始波(图2-4)，b(2)为从负载Γ(L)反馈到双端口网络输出的波。

如式2-2所示，Γ(OUT)是Γ(s)与两端口参数的函数:

稳定性和最大可用增益(MAG)是选择用于放大器设计的双端口网络(LNA)的两个更重要的考虑因素。正如这里所使用的，稳定性测量LNA振荡的趋势。最大可用增益是LNA的一个优点值，它表示当器件与其源和负载阻抗共轭匹配时，您可以期望从器件获得的最大理论功率增益。

双端口网络的传感器增益为:

参考
Bowick,克里斯。射频电路设计． 霍华德·w·山姆&;公司，ITT的出版子公司。

这篇文章的类似版本出现在2001年10月的微波和射频杂志。