低噪声放大器

第五章低噪声放大器通信与信息工程学院本章主要内容低噪声放大器概述低噪声放大器的性能指标晶体管高频等效电路低噪声放大器设计低噪声放大器实例本章学习重点和难点低噪声放大器是接收机的关键组成部分，在整个通信系统的射频前端设计中占据重要地位。本章重点讲解低噪声放大器的性能指标、基本结构和基本设计方法。低噪放的基本设计原理是本章的难点。§5.1低噪声放大器概述低噪声放大器（low-noiseamplifier，简称LNA）是射频接收机前端的主要部分。要求具有最小的噪声系数、较大的增益、足够的动态范围、输入端良好匹配和一定的频带选择等性能。低噪声放大器工作在A类，其导通角为360度。在进行小信号放大，基本可以做到线性放大，故经过放大后的信号线性失真很小。一、低噪声放大器简介二、低噪声放大器在通信射频前端的位置例：单次变频超外差式接收机由于天线接收输入信号通常很小,需要对其进行放大，但为了尽可能地少的引入噪声，故采用低噪声放大器对天线接收的微弱信号进行放大。⑵LNA所接受的信号是很微弱的，故它是一个信号线性放大器。⑶低噪声放大器的输入端必须与前接的天线滤波器或天线匹配。⑷低噪声放大器应具有一定的选频能力，因此它一般是频带放大器。三、低噪声放大器的主要特点⑴LNA靠近接收机的最前端，要求它的噪声系数越小越好。§5.2低噪声放大器的性能指标指标0.5μmGaAsFET0.8μmSiBipolar电源电压3.0V1.9V电源电流4.0mA2.0mA频率1.9GHZ1.9GHZ噪声系数NF2.8dB2.8dB增益Gain18.1dB9.5dBIIP3－11.1dBm－3dBmInputVSWR1.51.2OutputVSWR3.11.4隔离21dB21dB例：0.5umGaAsFET和0.8umSiBipolar工艺的低噪声放大器指标。从表中可以看出，低噪声放大器的主要指标为：噪声系数线性范围增益输入输出阻抗的匹配输入输出的隔离功耗以上各项指标并不独立，是相互关联的，在设计中如何折中，兼须各项在指标，是设计的重点也是难点。（1）低功耗——移动通信的必然要求（2）工作频率——取决于晶体管的特征频率Tf2()2mmTggfccC与工作点有关取决于半导体工艺低电源电压小的静态电流——跨导小mg（3）噪声系数双极晶体管''1111222bbmSbbmSmSrgRrFRsgRRsgR线性网络：2()14nnSSVIRFkTBR场效应管111SmFRg②双极晶体管放大器的噪声与基区体电阻有关`bbr①放大器的噪声与工作点有关——mg③放大器噪声系数与信号源内阻有关分析：（4）增益增益要适中增益大——可降低后级对系统噪声系数的影响增益大——后级易产生非线性失真增益取决于mg跨导——由工作点决定负载LNA的负载形式LC谐振回路——Q值、谐振阻抗集中参数选频滤波器——注意阻抗匹配（5）自动增益控制根据接收信号的强弱自动控制增益信号弱，增益大信号强，增益小，以防后级非线性失真（6）输入阻抗匹配放大器与输入源的匹配最大功率传输——共轭匹配噪声系数最小——噪声匹配匹配方式a.共源组态输入阻抗很大并联电阻等于信号源内阻b.共栅组态1mg输入阻抗改变达匹配mgc.电阻负反馈改变输入阻抗d.电感负反馈改变输入阻抗（7）线性范围衡量指标：三阶互调截点IIP3、增益1dB压缩点讨论放大器的线性范围时应注意的三个问题：1）线性范围和器件有关，场效应管由于是平方率特性，因此它的线性要比双极型好。2）线性范围和电路结构有关。3）输入端的阻抗匹配网络也会影响LNA的线性范围。（8）隔离度和稳定性增大低噪声放大器的反向隔离可以减少本振信号从混频器向天线泄露程度，以增强放大器的稳定性。引起反向传输的原因在于晶体管的集电极和基极间的级间电容以及电路中寄生参数的影响，它们也是造成放大器不稳定的原因。bcC通常采用中和电容法及晶体管共射共基（或共源共栅）结构提高稳定性。§5.3晶体管高频等效电路一、射频集成电路工艺现代移动通信的发展要求低成本，低功耗，高集成的集成电路，为了实现射频集成，选择合适的工艺技术很重要。目前常用的射频集成电路工艺有：双极（bipolar）、GaAs和CMOS工艺。1）双极工艺：纯双极（purebipolar）--BJT,BiCMOS和SiGeHBT（异质结双极管）与CMOS相比，双极晶体管有两个优点：①相同的偏置电流下，跨导大，可使放大器在较小的功耗下获得大增益。②有较高的增益带宽积，可以提高放大器在较小的功耗下获得大增益。Tf工艺技术截止频率(GHZ)Bipolar25–50BiCMOS10–20SiGeHBT40-802）GaAs工艺GaAs是一种化合半导体材料，性能未定，工艺成熟，它的最高频率可达到50-100GHz。3）CMOS工艺CMOS器件噪声低，线性度好，可将通信系统的射频和几道数字电路集成在一块芯片上，是移动通信集成电路的发展方向。二、晶体管高频等效模型在利用晶体管进行放大器、振荡器混频器等单元基础电路设计时，都需要晶体管的电路模型作为指导，因此理解晶体管的高效等效模型是很重要的。由于晶体管有三极管和场效应管两类，而它们各自的工作机理不相同，故它们的模型也不一样。共射放大器原理图基极偏置VBEQ决定基极偏置电流IBQ集电极电源VCC负载电阻RL共同决定工作点Q1.双极型晶体管共射小信号等效电路基极电流与偏置电压关系图输入信号为,svBEBEQsvVv输出电流公式BEsqqvvkTkTCSCQiIeIeBJT的I-V曲线工作点Q26TkTVmVq当，时smTVV晶体管可用如下图所示的等效电路代替混合型等效电路①理解电路中各元件的物理意义从两个层次上加强对等效电路的理解②理解晶体管作为放大器的本质注意两点①电路中的所有参数均与工作点Q有关②该电路是交流小信号等效电路电路中各元件的物理意义BEBmQvrig为输出交流短路时的输入电阻1）CQCmBETQIigvV2）为正向传输跨导0CEACCQQvVriI3）为输入交流短路下的输出阻抗jebCCC4）为正偏发射结电容为基区扩散电容jeCbC001nBCCCV5）反偏集电结电容csC集电结与衬底间的势垒电容6）'bbreerccr7）、、为各极的体电阻8）特征频率定义为共射输出短路电流放大倍数下降为1时的频率Tf2()2mmTggfCCC二、场效应管小信号模型根据场效应管漏源电压的大小，可以分为可变电阻区和饱和工作区。DSv()[()]DnGSGSthDSivVv可变电阻区特性（很小）DSv理解：①和成线性关系DiDSv()()DnGSGSthDSigvVv电导值为GSv②此电阻受栅源电压的控制（可变电阻）()GSGSthvV()DSGSGSthvvV条件：恒流区场效应管等效为一个理想的电压控制电流源。饱和区()GSGSthvV()DSGSGSthvvV条件：2()1()2DnGSGSthivV伏安特性：转移跨导：()()2DmnGSGSthnDQDSigvVIv可见，小信号跨导与偏置电流的平方根成反比。DQI场效应管高频小信号模型等效电路中包含3个极间电容：---栅极与源区电容gsCdsC---栅极与漏区电容gdC---漏极与源极电容、、分别为各极的欧姆电阻，是漏源电阻，是串联栅极电阻GrSrDrdsriR对于GaAsFET，这些参数的典型值为7iR400dsr0.3gsCpF0.12dsCpF0.01gdCpF40mgmS场效应管的单位电流增益频率为2()2mmTgsgdgsggfCCC§5.4低噪声放大器设计一、低噪声放大器基本电路如上图所示，放大器电路包括：放大器的结构框图1.直流（电压/电流）偏置电路2.阻抗匹配/转换电路3.控制和保护电路（按需要）1.确定直流工作点Q，设计直流偏置电路。2.确定Q点下有源器件特性(稳定性、增益、噪声系数、功率、效率、交调失真比等)。3.设计阻抗匹配/转换电路，实现要求的放大器性能。4.设计控制和保护电路（按需要）。二、低噪放设计的基本任务三、放大器各部分电路设计直流偏置电路的功能是为有源器件提供选择的工作点，其本质是一个低通滤波器，起到通直流，隔交流的作用。直流偏置电路有两种类型，一种是无源偏置，另一种为有源偏置。无源偏置又分为固定基流偏置、基极分压射极偏置和传输线偏置三种形式。1.直流（电压/电流）偏置电路设计固定基流偏置电路1）固定基流偏置电路工作点电流电压的改变会使BJT小信号参数改变，从而使放大器的性能指标不稳定，甚至振荡。CICEV固定基流偏置电路电路结构比较简单，但当温度、电源电压变化或更换参数不同的BJT时，直流工作点Q（、）会明显变化。2）基极分压射极偏置电路基极分压射极偏置电路基极分压射极偏置电路是一种可以稳定工作的电路结构。电路中利用电阻引入电流采样电压求和式的负反馈，当某种原因（如温度升高，电源电压增加或更换更大的BJT）使得工作点的ER增加时，则电路中直流负反馈作用可以抑制的增加，使得放大器的静态工作点相当稳定。CICI3）有源偏置电路有源偏置电路有源偏置电路具有相当出色的温度稳定性，但同时也带来了元件数目增多，电路结构复杂等缺点。在放大器的温度稳定性要求比较高的时候，可以考虑采用这种偏置电路。传输线偏置电路3）传输线偏置电路传输线偏置法可以抑制偶次谐波，并且还可以改善放大器的稳定性。固定基流偏置电路基极分压射极偏置电路传输线偏置电路阻抗匹配/转换电路设计取决与放大器要求的增益、噪声系数、功率、效率和调失真比等指标。2.阻抗匹配/转换电路设计1）确定要求的最小噪声源阻抗2）将最小噪声源阻抗匹配到输入信号源阻抗（输入阻抗匹配网络）3）确定放大器输出阻抗4）匹配输出阻抗到负载阻抗（输出匹配网络）LNA阻抗匹配/转换电路设计步骤常用的匹配电路类型1）L型匹配电路L型匹配电路是最简单的匹配电路类型，但其Q值固定，且存在匹配禁区。2）T形或形匹配电路三元件和多元件匹配网络的特点a．适合几乎所有的匹配条件。b．由于增加了元件，使匹配网络有很好的调谐性能。c．可调整匹配网络节点的品质因数Q。3）传输线匹配电路传输线匹配网络具有良好的通用性，它可在任意输入阻抗和实部不为零的负载阻抗之间形成匹配，此匹配电路特别适用于GHz以上的射频电路，由于节约元器件，故能减小成本。4）传输线-分立元件混合型匹配网络传输线-分立元件混合型匹配网络的特点：1）传输线和分立元件电容混合使用，可以减小匹配网络尺寸，有利于高频集成电路设计。2）不使用分立元件电感，可降低整个匹配网络的电阻性损耗。3）可增加元件，以增强电路的调谐性能。五、常见的LNA电路配置1.共发射极或共源极LNA(CE/CS)2.共基极或共栅极LNA(CB/CG)3.共集极或共漏极LNA（CC/CD）4.电流共用LNA5.负反馈LNA六、低噪声放大器的设计步骤1.依据应用要求（噪声，频率，带宽，增益，功耗等）选择合适的晶体管2.确定LNA电路拓扑结构3.确定放大器的直流工作点和设计偏置电路4.确定最小噪声输入阻抗5.将最小噪声输入阻抗匹配到信号源阻抗（输入匹配网络）6.确定放大器输出阻抗7.匹配放大器输出阻抗到负载阻抗（输出匹配网络）8.仿真LNA性能和优化9.电路制作和性能调试10.性能的测量和标定§5.5低噪声放大器设计实例频带/GHz2.0～2.2噪声系数/dB=2.5线性增益/dB=28等驻波比VSWR=2.51dB压缩点P1dB/dBm=-5增益平坦度/dB±1低噪声放大器的简要设计过程1.LNA设计要求的性能指标2.晶体管的选择本实验所选用的晶体管为Infineon公司的BFP405_BJT，这种晶体管适合用来设计小信号放大器。单管在2.0～2.2GHz处的最小噪声系数大于1.5dB，能达到的最大资用增益为17dB。3.LNA电路方案的确定根据