如何设计一款功能性的低噪声放大器

低噪声放大器是一种用于增强微小信号并尽可能减少噪声的电路。其主要原理包括尽可能减小噪声系数、选择合适的放大倍数和频带等。

1.降低噪声系数

噪声系数是输入信号与输出信号之间的信噪比(SNR)变化的度量。为了减少系统中的噪声，应该尽量降低噪声系数。方法包括使用低噪声元件、匹配电路和尽量选用合适温度下工作等。

2.选择合适的放大倍数和频带

放大倍数过小时，微小信号难以被识别，而过大则可能会引入更多的噪声。因此需要选择合适的放大倍数。另外，低噪声放大器的频带宽度也需要根据具体信号特征进行调整。

低噪声放大器设计步骤

低噪声放大器设计需要经历多个步骤，包括确定应用、选择合适的电路结构和元件、优化参数和进行实验验证等。

1.确定应用

首先需要明确所要应用的具体场景和信号特征，比如信号频率、电压范围等。同时还需要确定系统性能指标，如增益、噪声系数等。

2.选择合适的电路结构和元件

根据具体应用需求，可以选择不同的电路结构和元件组成放大器电路。比较常见的包括共源极放大器、共基极放大器、共射极放大器、磁控管等。

3.优化参数

在确定电路结构和元件后，需要对各项参数进行综合考虑并进行优化设计。最终需要得到合适的工作点、电路增益和带宽、输入输出阻抗等重要参数。

4.进行实验验证

完成设计后，需要进行实验验证以评估系统性能和符合度。并根据实际效果对系统进行调节和优化。

1 定性分析

1.1 晶体管的建模

通过网络可以查阅晶体管生产厂商的相关资料，可以下载厂商提供的该款晶体管模型，也可以根据实际需要下载该管的S2P文件。本例采用直接将该管的S2P文件导入到软件中，利用S参数为模型设计电路。如果是第一次导入，则可以利用模块S-Params进行S参数仿真，观察得到的S参数与S2P文件提供的数据是否相同，同时，测量晶体管的输入阻抗与对应的最小噪声系数，以及判断晶体管的稳定性等，为下一步骤做好准备。

1.2 晶体管的稳定性

对电路完成S参数仿真后，可以得到输入/输出端的mu在频率2～2.2 GHz之间均小于1，根据射频相关理论，晶体管是不稳定的。通过在输出端并联一个10 Ω和5 pF的电容，m2和m3的值均大于1，如图1，图2所示。晶体管实现了在带宽内条件稳定，并且测得在2.1 GHz时的输入阻抗为16.827-j16.041。同时发现，由于在输出端加入了电阻，使得Fmin由0.48增大到0.573，Γopt为0.329∠125.99°，Zopt=(30.007+j17.754)Ω。其中，Γopt是最佳信源反射系数。

其中

输入电路谐振时，

在LNA处于一定的偏置和器件尺寸的条件下，通过调整电感Ls的大小使得输入阻抗中的实部等于50 ?，即可实现输入端的阻抗匹配，而且此时产生的实部不是一个实际的电阻，因此不用担心由实际电阻而产生的热噪声，所以不会对放大器的噪声性能产生影响。通过调整Lg和Ct的大小使输入阻抗的虚部的感抗和容抗相互抵消，使得输入阻抗的虚部为零。从式(7)可以看出，在晶体管M1的栅极和源极之间并联一个电容Cex后，所需要的栅极电感的值减小。