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摘 要：文章设计了一种基于 ADS 应用在对讲机 U 段的两级低噪声功率放大器,首先介绍了低噪声放大器的基本理论内 容、技术参数和基本架构,接着通过理论分析、逻辑运算和电子仿真得到单级运放电路的具体结构和技术参数,通过级间耦合 连接方式构建完成两级低噪声功率放大器的设计,最后通过 ADS 仿真确定各项技术指标完全满足设计要求。
关键词：对讲机,功率放大器,技术参数,ADS 仿真
One Kind of Amplifier with Two-level Low Noise Power Based on ADS
ZHOU Lele
(Laboratory and Equipment Management Office of Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu 225009)
【Abstract】： This paper designs a two-stage low-noise power amplifier based on ADS applied to the U-segment of the walkie-talkie. Firstly, the basic theoretical content, technical parameters and basic structure of the low-noise amplifier are introduced. The specific structure and technical parameters of the operational amplifier circuit are constructed through the inter-stage coupling connection method to complete the design of the two-stage low-noise power amplifier. Finally, the ADS simulation is used to determine that the technical indicators fully meet the design requirements.
【Key words】： intercom;power amplifier;technical paramenter;ADS simulation
1 低噪声功率放大器的理论基础
1.1 低噪声功率放大器的稳定性分析
放大器具有良好的稳定性可以避免放大器产生谐振 现象,在二端口网络中如图 1 所示,如果二端口网络的 输出阻抗和输入阻抗的实部中有一个小于 0.那么功率 放大电路就可能是不稳定的,如果实部都大于 0.那么 功率管在一定的频率下是绝对稳定的,然而在现实电路 设计中,输出阻抗及输入阻抗的实部均有可能小于 0. 这个时候就需要计算出输入、输出稳定圆方程,最后得 到系统绝对稳定的参数条件 [1]。
其中 K 为稳定系数,只有当 K>1 且同时满足另外 两个条件时,放大器才处于绝对稳定状态。在实际电路 设计时,往往放大器会出现震荡现象,即K<1.为了避 免这种情况,可在增加匹配电抗元件或引入负反馈,使 K>1.本论文使用匹配电抗元件使放大器达到稳定状态。
1.2 放大器的噪声分析
输入的信号在经过功率放大的过程中,会产生噪 声,降低信噪比。噪声系数反映的就是信噪比降低的倍 数。放大器的噪声系数定义如式(2)所示 ：
放大器需要特定的匹配电路才能实现噪声最低,然 而放大器的噪声最低点并不是增益的最高点,这就需要 调整相应的匹配电路来平衡放大器的噪声和增益。
1.4 输入输出匹配电路的分析
匹配电路在射频功率放大器系统中的作用十分关 键,射频小信号经过功率放大后,直接通过外接负载无 法得到很好的增益,甚至无功率输出,要获得放大器的 最大输出功率,必须找到合适的匹配网络,使经功率管 放大后的射频信号经过匹配电路得到最佳的功率、效率 和稳定性,最佳的匹配网络能够使放大器的输入阻抗与 输出阻抗呈共轭关系。
2 低噪放大器的电路设计
2.1 晶体管选择
本次放大器采用日本富士通公司的 FHX05LG 晶体 管。FHX05LG 晶体管具有低噪声、高电子迁移率以及 单管高增益的优点,并且可以通过级联的方式作为多级 放大器从而进一步提高增益来满足设计要求。
2.2 匹配电路的设计
在射频功率放大电路中,几种常用的匹配电路有 L 型、T 型和 7t 型, 无论哪种匹配电路, 电路中的元器件均非理想状态下的组件,因此在设计匹配电路时要借 助辅助工具来找出匹配电路的具体参数,实践中可以使 用 Smith 圆图来分析,在 Smith 圆图中,可以将电路的 阻抗转变为反射系数,再对反射系数进行分析即可找到 理论上的最佳参数。低噪放大器首先要满足功率放大和 低噪声两个要求,这样需要将输入阻抗匹配到 50Ω,本 次设计将带宽内的中心频率 430MHz 频点处的输入阻 抗匹配到 50Ω,这样可以保证整个频段内的输出功率最 大,通过在 Smith 圆图上表示出电 430MHz 处的输入端 等功圆和噪声系数圆,从而找出最佳匹配点 [2]。找出输 入匹配电路之后,再用同样的方法在 Smith 圆图上找出 输出阻抗的最佳匹配点,从而使输出阻抗与输入阻抗相 匹配,输出匹配电路如图 2 所示。
2.3 单管系统电路图
整个单管系统电路如图 3 所示,包括输入匹配电路、 低噪放大电路、偏置电路和输出匹配电路。通过对单管低噪声放大电路的仿真可以看到,如图 4 所示在整个频 段内的稳定系数大于 1.如图 5 所示得到的噪声系数小 于 1.从而可以确定系统在整个频段内是绝对稳定的。
2.4 两级低噪声放大电路
单级低噪放大电路设计完成后, 按照共射 - 基极的 级联方式,将电路级联成两级低噪声放大电路。通过如 图 6 所示的 ADS 仿真结果,可发现两级低噪声放大电 路的增益在 23db 以上,完全满足设计要求。
3 结论
射频功率放大器作为对讲机的核心模块,其性能好 坏直接决定产品的优劣,本文设计的基于 ADS 的对讲 机两级低噪声功率放大器主要包括偏置电路、功率放大 电路、匹配电路,通过理论分析和系统仿真确定各部 分电路参数,最后经 ADS 仿真结果可以看出,本次设 计的两级低噪声功率放大器在对讲机 U 段内的输出功 率在 23db 以上,稳定性以及噪声系数完全满足设计要 求,并为在 ADS 中进行多级运算功率放大器的设计提 供了一定的参考价值。
参考文献
[1] 李伟东,周远杰,王成鹤.一种低噪声精密运算放大器[J].微波 学报,2021.51(6):854-859.
[2] 孙艳丽,刘晓娣,张晨,等.基于ADS的500 MHz射频发射系统 设计与仿真[J].电子设计工程,2021.29(21):132-136.
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