低噪声放大器

低噪声放大器晶体管高频等效电路LNA的性能指标LNA的分析设计低噪声放大器的特点位于接收机的最前端噪声越小越好，且要求有适当的稳定的增益接收的信号很微弱且变化属于小信号线性放大器，线性范围大，自动增益控制与天线或滤波器相连接要有良好的匹配特性具有一定的选频功能有效抑制带外干扰和镜像频率干扰对晶体管的描述方法物理等效电路模型网络参数模型模型中的每个参数均对应一定的物理意义，与工作点有关适用的频率范围较宽，适用于交流小信号输入把晶体管视为一个双端口黑盒子，分析其端口参数线性网络可以用端口参数来描述其特性，如H参数、Y参数等适用于特定频率、线性参数，在射频与微波波段，多用S参数根据制造工艺，RF/MW有源电路可以分为：印刷电路(PCB)混合微波集成电路(HMIC)单片微波集成电路(MMIC)在印刷电路中，元器件是被焊接到印刷板上，印刷板作为连线和支撑媒质。这种电路成本低，多数应用于3GHz以下。混合MIC由分布参数电路元件和集总电路元件混合而成。混合MIC电路尺寸较PCB小，并可工作至毫米波频率。MMIC中的所有有源和无源电路元件及其互连是在一块半导体绝缘基片上形成的。目前生产的MMIC多数工作于0.5～100GHz的频段。单片集成技术特别适用于毫米波应用。MMIC的优点是成本低、尺寸小、可批量生产。低噪声放大器的指标0.5mmGaAsFET0.8mmSiBipolar电源电压(V)3.01.9电源电流(mA)4.02.0频率(GHz)1.91.9噪声系数NF(dB)2.82.8增益(dB)18.19.5IIP3(dBm)-11.1-3InputVSWR1.51.2OutputVSWR3.11.4隔离(dB)2121低噪放（LNA）——高频、小信号、线性、选频放大教材表5.5.1给出了两个不同工艺的低噪声放大器的指标。分析这些指标，主要有：低功耗工作频率噪声系数增益增益控制输入阻抗匹配线性范围隔离度与稳定性——采用低电源电压，低偏置电流——与特征频率有关——用网络的等效噪声源方法进行分析——要适中——根据接收信号的强弱自动控制增益——功率匹配，噪声匹配——三阶互调截点、1dB压缩点——本振泄露低噪声放大器的指标分析低功耗——移动通信的必然要求低电源电压小的静态电流——跨导mg工作频率——取决于晶体管的特征频率Tf与工作点有关取决于半导体工艺2()2mmTggfccC噪声系数线性网络：SSnnkTBRRIVF4)(12共射极单管双极型晶体管：1122112bbmSSmSbbSmSrgRFRgRrRgR单管共源MOS管（若仅考虑沟道噪声）：mSgRF111增益增益大可降低后级对系统噪声系数的影响后级易产生非线性失真增益取决于跨导——由工作点决定负载控制方法：放大器工作点、负反馈量、回路Q值增益控制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mg输入阻抗匹配类型：纯电阻——宽带，有耗，噪声大纯电抗——窄带，无耗，噪声小匹配方式：共源(共射)方式共栅(共基)方式输入阻抗大，并联所需电阻即可达到匹配。但会增加噪声。输入阻抗1/gm较小，改变偏置就可以改变gm，达到匹配。电阻负反馈方式电感负反馈方式电阻串并联负反馈方式以达到阻抗匹配的目的。适用于宽带放大，但功耗大，且需要集成较多的电阻，不适合CMOS技术。源(射)极采用电感负反馈，与输入电容调谐后实现匹配，适用于窄带放大，有较好的噪声性能。线性范围隔离度与稳定性取决于器件、电路结构、阻抗变换网络正向传输——压控电流源mbegv反向传输——极间电容()bcCC引起不稳定的原因改进措施：中和法——用中和电容抵消失配法——采用共射共基（共源共栅）组态降低增益(a)加中和电容输出点+输出点-NCebC输入CN的一端接输出，一端接输入，由它引入的反馈来抵消晶体管内部反馈电容Cb’c引起的反馈。(b)采用共发共基(共源共栅)结构利用共基放大器输入电阻很小的特点，作为共发放大器的负载电阻，可以大大拓展共发放大器的上限频率，同时又具备很好的电流、电压增益。晶体管高频等效电路射频集成电路主要工艺砷化钾GaAs双极Bipolar（一种化合半导体材料）具有最高的工作频率：50~100GHz；在超高速微电子学和光电子学中应用广泛纯双极、BiCMOS和SiGeHBT（异质结）三种双极工艺器件的截止频率：工艺技术截止频率(GHZ)Bipolar25–50BiCMOS10–20SiGeHBT40-80CMOS噪声低、线性好、与数字集成电路兼容，工作频率3GHz以上双极晶体管较之CMOS晶体管的优点：1、在相同的偏置电流下跨导大2、有较高的增益带宽积由于跨导与偏置电流成正比，结果：在较小的功耗下可获得大增益；提高工作频率（低于10GHz）双极型晶体管共射小信号等效电路共射放大器原理图共同决定工作点Q基极偏置VBEQ集电极电源VCC决定基极偏置电流IBQ负载电阻RL输入信号为,sBEQBEvVvBEQVBQIBiCCLVRCQIBQIsv输出电流公式sBEvkTqCQvkTqSCeIeIi当smTVV26TkTVmVq晶体管可用其等效电路代替注意：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从两个层次上加强对等效电路的理解：①理解电路中各元件的物理意义②理解晶体管作为放大器的本质晶体管作为放大器的本质一个电压控制的电流源cmbeigv放大器的输入阻抗，电阻和电容()berr()beCC放大器输出电阻（很大）or——由等效电路中的电容引起TfCgccgfmmT2)(2反向传输器件C——引起放大器不稳定——正向传输极限工作频率(特征频率)场效应管小信号模型饱和区（恒流区）可变电阻区场效应管工作的两个区——以大小划分DSv可变电阻区很小DSv()[()]DnGSGSthDSivVv理解：)()(thGSGSnDSDVvvig①和成线性关系DiDSv电导值为GSv②此电阻受栅源电压的控制（可变电阻）恒流区——场效应管等效为一个理想的电压控制电流源小信号等效电路2)()(21thGSGSnDVvi恒流区伏安特性为：成平方律关系转移跨导：()()2DmQnGSQGSthnDQGSigVVIv小信号跨导与管子特性及工作点偏置有关——由等效电路中的电容引起Tf极限工作频率(特征频率)2()2mmTgSgdgSggfCCC低噪声放大器设计采用晶体管的等效电路模型设计、分析低噪声放大器电路组成：晶体管、偏置、输入匹配和负载四大部分单管小信号选频放大器典型电路：Q晶体管Q偏置电阻2bR1bReR输入匹配网络负载：选频回路负载电阻晶体管、负载部分接入交流旁路电容LRLC1TBCEC（2）画出放大器的交流通路图（3）代入晶体管的小信号等效电路及参数，计算放大器的各项指标（1）分析直流偏置，决定直流工作点，得出对应工作点的参数①直流电源是交流地②大电容（交流旁路电容）短路③大电感（扼流圈)开路④仅做偏置用的直流电阻可不画分析电路步骤：画交流通路图的原则：Q完整电路①画交流图电源是交流地去掉偏置大电容短路rCmbegvor②代入晶体管等效电路设晶体管为单向传输计算增益（单向传输）rCmbegvoriVoV①对线圈部分接入进行折合电流源和接入系数mbegVor121213NnNmbegvorLR13V12mbembegVngV212/oorrn负载接入系数454513NnN245/LLRRn②选择回路电抗元件：mbegvorLR13V谐振频率，即工作频率为01LC③回路谐振阻抗：设LC回路的空载Q为Q0回路谐振阻抗////poLRRrR00PRLQ（其中）④输出电压：回路谐振4513oVnVRVgnRVgVebmebm1213⑤电压增益4512ombeVAnngRV低噪放回路带宽0efBWQ其中()0eRQL增加稳定性——抵消极间电容的影响()bcCCNC添加中和电容注意反馈的极性1GHZCMOS低噪声放大器COCO电路结构：①场效应管M1和M2、共栅组态②接成双端输入双端输出差动放大器③输入端采用电感L1和L2组成匹配网络④输出端采用LC回路选频电感L3（L4）下级输入电容CO⑥M3交流短路（作用见后分析）⑤偏置为VG（偏置电路省略），电感L1和L2同时提供了各管子直流通路电路分析:画交流通路图(以M1为例）inVinVoutVinV共栅、栅源电容Cgs漏极电容Cd（包括栅漏电容Cgd）杂散及分布电容CP杂散电容C0（包括下级混频器的输入电容）（1）输入匹配网outVinV外接电感线圈L1栅源电容Cgs杂散及分布电容CP并联回路谐振频率＝工作频率1GHz回路谐振阻抗共栅极输入阻抗为1/gm调节匹配方法：调节M1和M2的偏置电压VG——改变M1M2的跨导gm，使1/gm=Rs，完成与源阻抗匹配。（2）输出回路outV电感线圈L3漏极电容Cd杂散电容C0（包括下级输入电容）并联谐振回路301()RFdLCC已知管子电容Cd和C0，得：3201RFdLCC谐振于工作频率性能指标:(1)增益代入MOS管共栅等效电路1mggsCmgsgvdsrinRF增益管子跨导gm负载回路谐振阻抗Rpdsr设线圈L3的串联损耗电阻是r折算到输出回路并联为Rp33RFPRFLRQLr单管增益：22333()outRFvmpmmRFinVLLAgRggLVrr比值取决于电感的制作方式3Lr芯片内集成电感或外接电感放大器总增益22outoutoutoutininininVVVVAVVVVooutoutVVV总输出inininVVV总输入差分放大器总增益与单管相同inVoutV（2）带宽电路特点：输入并联回路选频阻抗变换输出①当两个回路Q值相同时设每个回路带宽为BW112121totalBWBW称为缩减因子。1221②当两回路Q相差很大时带宽取决于高Q回路——输出回路Q值高3RFTotaloutLrBWBWQL放大器噪声源124ndmIKTgB12ndI所以等效输入噪声源BgKTIImdnn4221放大器噪声系数4114/mSKTgFKTR12ndI12ndI电路变形，将噪声源分裂成两个输出端折合到输入端：21ndI221220ndnmiIIgZ（3）放大器噪声其中是工艺参数，长沟道MOS=2/3,F=1.67,NF=2.2dB（4）线性度差动输入方式——输入信号动态范围大于单管差动输出方式——输出电流是M1和M2的输出电流之差抵消非线性失真的偶次谐波扩大了线性范围（6）输出电平调节目的：与后级直流一致M3工作在可变电阻区调节M3的栅极偏压VC改变了M3等效电阻改变了输出直流电平（5）隔离——增强稳定性不稳定原因——极间电容共栅组态——Cds可忽略inVoutV1.9GHZCMOS低噪声放大器电路结构：3L1L2L⑤负载用L3与下级输入电容组成并联回路⑥有源偏置①对称双端输入双端输出差分形式②共源共栅级连电路③输入回路串联电感④源极电感负反馈电路分析:（1）偏置电路VDDM3与M1组成镜象电流源M3的电流电阻RrefM3的偏压VGS电源电压VDD电阻RBLAS阻止M3的噪声进入M1（2）输入阻抗匹配代入场效应管等效电路的输入级输入电路输入回路方程)(21gsmigsiiSiSVgILjCjILIjRIV输入阻抗1221()mingsgsgZjLLLjCC调谐输入回路串联谐振于工作频率121()RFgsLLC为与源阻抗共轭匹配，令2mSgsgRLCQin为输入回路的有载Q（3）噪声仅考虑由场效应管M1的沟道电阻噪声21111SminFRgQ（5）线性双