第二章 低噪声放大器

第二章低噪声放大器李芹第二章低噪声放大器2.1引言2.2晶体管高频小信号模型2.3LNA主要指标2.4单管低噪声放大器2.5集成宽带低噪声放大器2.6LNA的噪声匹配2.7LNA设计举例2.1引言•低噪声放大器在接收通道中的作用与位置天线开关双工器LNA本振混频输出天线功放隔离器调制输入•LNA的主要特点1、要求LNA有较低的噪声系数。2、要求LNA有一定的功率增益。3、要求LNA具有足够的线性范围。4、LNA的匹配问题2.1引言工艺0.5µmGaAsFET0.8µmSiBipolarSiGe电源电压（V）3.01.92.7-5.5电源电流（mA）4.02.03.5工作频率（GHz）1.91.91.4-2.5噪声系数NF(dB)2.82.81.3增益（dB）18.19.514.4IIP3(dBm)-11.1-3-4反向隔离（dB）-21-21-302.3LNA主要指标•功耗在保证放大器指标的前提下，适当减小偏置电流。•噪声系数对于无源互易网络，其损耗等于噪声系数。LCuinuoutCRuinuout（a）LC滤波器（b）RC滤波器2．3LNA主要指标无源有耗网络的噪声系数•无源四端网络的输入端的信号源内阻为RS,网络输出阻抗为RO，在网络输入、输出端匹配条件下，插入损耗为L•网络输入端的噪声是由信号源RS产生的，，其额定功率为NiA=kTB，网络输出端的噪声可看作由输出阻抗RO产生的，其额定功率为NOA＝kTB。B是该网络的带宽。•故根据噪声系数的定义：•其中无源网络的功率增益的倒数就等于它的损耗。因此无源有耗网络的噪声系数在数值上就等于它的损耗。LGNGNNPNPFPiAPOAOAOiAi1//无源网络ViRsRoLNA的匹配LNA与信号源的匹配是非常重要的，由匹配方式决定了LNA的拓扑结构：功率匹配与噪声匹配。增益及增益控制2．3LNA主要指标2．3LNA主要指标——动态范围动态范围：接收机所接收的信号强弱是变化的，通信系统的有效性取决于它的动态范围，即高性能的工作所能承受的信号变化范围。动态范围的下限是灵敏度，它受到基底噪声的限制。但当输入信号太大时，由于系统的非线性而产生了失真，输出信噪比反而会下降，因此，动态范围的上限由最大可接收的信号失真产生2．3LNA主要指标——动态范围动态范围有两种不同的定义：对于功率放大器而言，常用“线性动态范围”(lineardynamicrange)的概念。它定义为产生1dB压缩点的输入信号电平与灵敏度（或基底噪声）之比。而对于低噪声放大器或混频器则常采用“无杂散动态范围”（SFDR)(spurious-freedynamicrange)的概念，即下限输入信号为灵敏度（或基底噪声），输入信号的上限固定为此输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量折合到输入端恰好等于基底噪声2.3LNA主要指标——动态范围min,max,ininfPPDR下限输入信号为灵敏度Pin,min，输入信号的上限Pin,max规定为此输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量PO3折合到输入端恰好等于基底噪声（即Ft=PO3/GP，GP是功率增益)由系统的基底噪声Ft和所要求的输出信噪比(SNR)O,min可求出灵敏度由系统的三阶互调截点和基底噪声Ft可以求出Pin,max2.3LNA主要指标——动态范围设天线的等效噪声温度为Ta，接收机的噪声系数为F，功率增益为Gp，设灵敏度为Smin。No是接收机输出总噪声功率:NO=kTaBGP+N内可以将N内看作是输入端电阻在对应的等效温度为Te时产生的噪声经放大后达到输出端的值，因而N内＝kBTeGp。由于Te=(F-1)T0，则NO=kB[Ta+(F-1)T0]Gp则灵敏度Smin=Pomin/Gp=(NO/Gp)(Pomin/NO)=kTB[Ta+(F-1)T0]DSmin(dBm)=k[Ta+(F-1)T0](dBm/Hz)+10lgB+D前面两项称为系统总的合成噪声，记为Ft，也称基底噪声，则：NFt(dBm)=k[Ta+(F-1)T0](dBm/Hz)+10lgB特别是当Ta=T0=290K时，NFt=kT0(dBm/Hz)+NF(dB)+10lgB=-174dBm/Hz+NF(dB)+10lgB基底噪声与所要求的输出信噪比共同决定了输入灵敏度。系统的基底噪声越大就要求输出信噪比越高。2.3LNA主要指标——动态范围2.3LNA主要指标——动态范围当输入功率为Pin时，产生的基波输出功率和三阶互调失真分量分别为：PO1=GPPinPO3=GP3Pin3根据三阶交截点的定义，当Pin=IIP3时，PO1=PO3。因此由上两式可得：将GP3和Pin=Pin,max代入PO3，可得233)(IIPGGPP3max,233max,33)(inPinPOPIIPGPGP2.3LNA主要指标——动态范围•根据无杂散动态范围的定义，对应输入为Pin,max时，输出三阶互调分量PO3=GPFt,所以有：323max,)(tinFIIPP3)()(2)(3maxdBmNdBmIIPdBmSFt2.3LNA主要指标——动态范围•以对数形式表示的无杂散动态范围：])([)2(31)()()(min,3minmaxOFtFtSNRNNIIPdBmSdBmSdBSFDR例2.3.1图2.1.1所示为某CDMA移动台射频前端收发系统结构框图，设窄带CDMA信号带宽BN为1.23MHz，接收灵敏度S(dBm)为-117dBm，输出信噪比D为11dB。求1)窄带CDMA接收系统的噪声系数；2)若天线开关损耗为0.5dB，收发双工器损耗为3.5dB，LNA的噪声系数控制在多少才能保证整个接收机的性能？2.3LNA主要指标■例2.3.2某接收机的前端LNA噪声系数NF=3dB，输入三阶互调阻断点IIP3=-20dBm，带宽B=1MHz。若要求输出信噪比D为12dB，求LNA的无失真动态范围SFDR。2.3LNA主要指标■例2.3.3已知LNA的噪声带宽BN＝200KHz，NF=2dB，求基底噪声NFt为多少？若1dB压缩点的输入功率Sin1=-20dBm，要求输出信噪比D=15dB时，问此时LNA的线性动态范围IEDR(Lineardynamicrange)为多少？2.3LNA主要指标•双极型晶体管共射小信号等效模型主要参数：发射结的结电阻rb’e、发射结电容Cb’e、集电结电容Cb’c基极电阻rbb’、gmUb’e、特征频率fT.rbb'rb'ecb'ecb'cgmUb'ebecIbIcUbeUce.....b’2.2晶体管高频小信号模型•rb’e为发射结的结电阻，其值为：EQTeebIUrr)1()1('•Cb’e为发射结电容，包含势垒电容CT和扩散电容CD两部份，Cb’e=CT+CD•Cb’c为集电结电容，它也包含势垒电容CT和扩散电容CD两部份主要参数：2.2晶体管高频小信号模型——双极型晶体管共射小信号等效模型•rbb’由基极引线电阻和基区体电阻组成，其值约为几十到几百欧。•gmUb’e表示双极型晶体管放大作用的等效电流源。mVIrUigEbeQBECm26•特征频率fT，定义为共射输出短路电流放大倍数β下降为1时的频率ebmcbebmTCgCCgf'''2)(2主要参数：2.2晶体管高频小信号模型——双极型晶体管共射小信号等效模型2.2晶体管高频小信号模型——场效应管小信号等效模型主要参数：跨导gm、输出电阻rds、栅源极间和栅漏极间电容Cgs和Cgd、漏源极间电容Cds、最高工作频率fmCgdCdsgmugssigidugsudsCgsrds•跨导gmDQoxthGSGSQoxmIlWCUUlWCg22)()(µ为迁移率，通常为常数。Cox为单位面积的栅极电容量，l为沟道长度，W为沟道宽度。•输出电阻rdsDQdsdsIgr11AU/1称为沟道长度调制系数，UA为厄尔利电压2.2晶体管高频小信号模型——场效应管小信号等效模型•栅源极间和栅漏极间电容Cgs和Cgd•漏源极间电容Cds，主要由漏、源区分别与衬底之间PN结的势垒电容组成，通常为0.1~1pF左右。Cgs和Cgd主要由MOS平板电容组成，工程中可以用下式近似估算WlCCWlCCoxgdoxgs31,32　　•最高工作频率fmgsmgdgsmmCgCCgf2)(2主要参数：2.2晶体管高频小信号模型——场效应管小信号等效模型密勒效应-ACXYCin-AXY-AZ1Z2利用密勒定理，可以将左边的电路转换成右边的电路：Z1=[1/(CFs)]/(1+A)，因此输入电容等于CF(1+A)-A-A2-A-A1RsMNPR1R2CinCNCPsCRsCRAsCRAsPNinS21211111)(VinVout这个电路有三个极点，每个极点值的确定都是由相应一个结点到地“看到的”总电容乘以从这个结点到地“看到的”的总电阻。因此这个电路中的每一个结点对传输函数贡献一个极点。极点和结点的关系Usrbb'rb'eceqgmUb'ebecibicUbe...Rs.RLuo分析步骤：•计算输入端总等效电容Ceq；•把该系统单向化近似，简化为含一个电容的一阶系统；•计算主极点（输入极点）的值ωP•计算系统上限角频率ωH、共发放大器增益带宽积GBP2.4单管低噪声放大器——双极型三极管共射极高频小信号电路分析ebebebcbLmeqDCCCCRgC''']1[''•主极点值为eqeqpCR1eqeqIpIsoutusCsRAsAsUsUsA1/1)()()(.ebbbsLIrrRRA'''ebbbsbbsebebbbseqrrRrRrrrRR''''')(//)('ebebbbsebbbseqeqpHDCrrRrrRCR''''')(1•共射小信号放大电路的电压增益•上限角频率•输入端总等效电容为Ceq两端并联等效电阻•中频区电压增益2.4单管低噪声放大器——双极型三极管共射极高频小信号电路分析共源电路及密勒近似简化电路+us-RST1VDDRDUoutCeqgmugssigidugs+uout-RDRS+us-....分析步骤：•计算输入端等效电容Ceq、一阶系统主极点（输入极点）ωP、电路的电压增益为AUS2.4单管低噪声放大器2.4.2场效应管共源极高频小信号电路分析gsgsDmgsgdgdDmgsgdDmgseqDCCRgCCCRgCCRgCC)1()1(eqSpCR1gsSDmeqSIpIsoutusDCsRRgCsRAsAsUsUsA11/1)()()(gsseqSpHDCRCR11•输入端等效电容•主极点值为•电压增益•上限角频率ωH为2.4单管低噪声放大器——场效应管共源极高频小信号电路分析1)双极型晶体管组合电路usRsT1T2RL+-usRsT1T2RL+-■组合电路的上限频率主要取决于共发电路。利用共基电路输入阻抗低的特性，将它作为共发电路的负载，就可有效地克服共发电路中的密勒倍增效应。2.5集成宽带低噪声放大器2.5.1组合LNA电路+us-RST1T2rO2Uout+u1-gm1u1gm2u2+u2-RDrO1RST1T2VDDRDRoutUbUoutgm1uin+-uS■由场效应管构成的共源共栅极放大器可以有效地提高电压增益和提高电流源的输出阻抗，并通过抑制密勒效应提高共栅极放大器的工作速率，并为共源极提供很高的输出阻抗2)场效应管共源－共栅电路2.5集成宽带低噪声放大器——组合LNA电路共源极和共栅极的级联叫作共源共栅结构(cascode)共源共栅极电路的跨导大于共源极电路的跨导，因而可以获得较高的电压增益；输出电阻Rout=[1+(gm2+gmb2)ro2]ro1+ro2，假设gm1，Rout≈(gm2+gmb2)ro2ro1，即T2把T1的输出阻抗提高至原来