第6章 低噪声放大器
《低噪声放大器设计》课件
采用线性化和稳定化技术，提高放 大器的线性度和稳定性。
低噪声放大器设计的案例分析
我们将分享几个具体的低噪声放大器设计案例，包括设计过程、技术方案和 实际效果分析，帮助您更好地理解和应用低噪声放大器设计。
结语
低噪声放大器设计是通信系统中重要的一环，通过深入研究和应用设计原理 和技巧，我们可以提高系统的性能和可靠性。感谢您的聆听！
《低噪声放大器设计》 PPT课件
噪声放大器设计是通信系统中关键的组成部分，为了提高系统的性能和可靠 性，我们需要深入了解低噪声放大器的设计原理和应用。本课件将介绍低噪 声放大器的基本概念、设计技巧和应用案例。
什么是低噪声放大ห้องสมุดไป่ตู้？
低噪声放大器是一种具有较高信号放大增益且噪声水平较低的放大器。它主 要用于在信号链的前端进行信号放大，从而提升整个系统的信噪比和灵敏度。
低噪声放大器具有宽 频带特性，适用于不 同频段的信号处理。
低噪声放大器的常见应用
无线通信
低噪声放大器在接收机和发射机中广泛应 用，提高通信质量和覆盖范围。
医疗设备
低噪声放大器在医学检测和成像设备中起 到关键作用，提高信号质量和可靠性。
传感器系统
低噪声放大器用于信号采集和处理，提高 传感器系统的灵敏度和精度。
卫星通信
低噪声放大器用于卫星通信系统，提供可 靠的信号接收和转发功能。
如何设计低噪声放大器？
1
放大器电路的优化设计
2
利用合适的电路结构和元件参数，
优化放大器的性能和噪声系数。
3
调试和测试技巧
4
合理调试和测试放大器的工作状态， 确保其性能和可靠性。
前端设计
选择合适的前端元件和电路拓扑， 降低系统的噪声输入。
低噪声放大器的原理
低噪声放大器的原理
低噪声放大器是一种电子设备，用于放大电信号，同时尽量减小噪声的干扰。
其原理主要包括以下几个方面：
1. 输入电路设计：低噪声放大器的输入电路采用高阻抗、低噪声的元件和结构设计，以减小对输入信号的干扰。
常见的设计技巧包括使用高阻抗输入电路、采用薄膜电阻、陶瓷电容等元件，以及合理布局和屏蔽设计等。
2. 放大器结构：低噪声放大器通常采用共基极、共集极或共源极等结构，以提供高增益和低噪声。
其中，共源极结构被广泛应用于射频放大器，其工作原理是利用场效应管的高输入阻抗和低噪声系数。
3. 负反馈设计：通过引入负反馈，可以有效降低放大器的噪声系数。
负反馈可以利用输出与输入之间的比例关系来抵消放大器内部的噪声。
常见的负反馈设计技巧包括采用电阻网络、差分输入等。
4. 电源噪声抑制：低噪声放大器需要通过设计合理的电源滤波电路来减少电源噪声的影响。
这可以通过使用电源滤波电容、电感等元件来实现。
总体来说，低噪声放大器通过合理的电路设计和结构选择，以及负反馈和电源噪声抑制等技术手段，目的是尽量减小放大器本身引入的噪声，从而提供纯净的放大信号。
低噪声放大器
低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)广泛应用于射电天文、卫星接收、雷达通信等收信机灵敏度要求较高的领域，主要作用是放大所接收的微弱信号、降低噪声、使系统解调出所需的信息数据。
而噪声系数(Noise Figure，NF)作为其一项重要的技术指标直接反映整个系统的灵敏度，所以LNA设计对整个系统的性能至关重要。
1 GPS接收机低噪声放大器的设计设计的LNA主要指标为：工作频率为1 520～1 600 MHz；噪声系数NF<O．50 dB；增益G>16．0 dB；输入驻波比<2；输出驻波比<1．5。
1．1 器件选择选择合适的器件，考虑到噪声系数较低、增益较高，所以选择PHEMT GaAsFET低噪声晶体管。
在设计低噪声放大器前，首先要建立晶体管的小信号模型，一般公司都会提供具有现成模型的放大器件。
这里选择Agilent公司的生产的ATF-54143。
1．52～1．60 GHz频带内，设计反τ型匹配网络，该匹配网络由集总元件电感、电容构成。
选择电感时，要选择高Q电感。
为了在模拟仿真中能够与实际情况相符合，选用Murata公司的电感和电容模型。
这里选用贴片电感型号为LQWl8，贴片电容型号为GRMl8，电感LQWl8在1．6 GHz典型Q值为80。
1．2 直流偏置在设计低噪声放大器中，设计直流偏置的目标是选择合适的静态工作点，静态点的好坏直接影响电路的噪声、增益和线性度。
由电阻组成的简单偏置网络可以为ATF-54143提供合适的静态工作点，但温度性较差。
可用有源偏置网络弥补温度性差的缺点，但有源偏置网络会使电路尺寸增加，加大了电路板排版的难度以及增加了功率消耗。
在设计实际电路中，要根据具体情况选择有源偏置网络，或是电阻偏置网络。
就文中的LNA而言，考虑到结构和成本，这里选择电阻无源偏置网络。
采用Agilenl的ATF54143，根据该公司给出的datasheet 指标，设计Vds=3．8 V、Ids=ll mA偏置工作点。
低噪声放大器工作原理
低噪声放大器工作原理介绍低噪声放大器（Low-Noise Amplifier，简称LNA）是一种常见的电子器件，其主要功能是将弱信号放大到足够的水平，以便能够有效地进行后续信号处理。
在无线通信、雷达系统等领域中，低噪声放大器起着至关重要的作用，它能够在信号传输过程中尽可能地减小噪声的加入，从而提高系统的信噪比。
工作原理低噪声放大器的工作原理涉及到放大器的各个组件和信号传输路径。
下面将详细介绍几个关键原理。
1. 放大器的输入部分低噪声放大器的输入部分通常包括天线、匹配网络和LNA芯片。
天线将接收到的微弱信号送入匹配网络，匹配网络对输入信号进行适当的调整，以保证信号能够最大程度地被传输到LNA芯片。
匹配网络的设计需要考虑到天线的阻抗、传输线等因素，以实现最佳的信号匹配。
2. 低噪声放大器的放大部分LNA芯片是低噪声放大器的核心组成部分，它负责将输入的微弱信号放大到合适的水平，同时尽可能地减小噪声。
为了实现低噪声放大，常见的设计方法包括：•使用低噪声场效应管（Low-Noise Field-Effect Transistor，简称LNA-FET）作为放大器的核心器件。
LNA-FET具有低噪声系数和高放大增益的特点，适合用于接收微弱信号。
•通过负反馈实现噪声抑制。
放大器的输出信号通过反馈回路与输入信号相比较，通过调节反馈网络的参数，可以抑制噪声的传输，从而提高信噪比。
•优化器件的工作状态和工作电压。
选择合适的工作状态和电压可以降低器件本身产生的噪声，并提高整个放大器系统的性能。
3. 噪声源和噪声参数低噪声放大器的性能评价与噪声参数密切相关。
主要的噪声源包括器件本身的噪声、传输线的噪声、温度噪声等。
常见的噪声参数有：•噪声系数（Noise Figure，简称NF）：衡量放大器引入的噪声相对于理想放大器引入的噪声的影响程度。
噪声系数越低，表示放大器的噪声性能越好。
•噪声温度（Noise Temperature）：用来表示放大器产生的等效噪声温度。
《低噪声放大器设计》课件
低噪声放大器（LNA）是一种专门设计的电子器件，主要用于接收微弱信号并 进行放大。在无线通信、雷达、电子战等领域中，低噪声放大器被广泛应用于 提高信号的信噪比，从而提高接收系统的灵敏度和性能。
低噪声放大器的性能指标
总结词
低噪声放大器的性能指标主要包括增益、噪声系数、线性度等。
详细描述
增益是低噪声放大器的重要指标，表示放大器对输入信号的放大倍数。噪声系数是衡量低噪声放大器性能的重要 参数，表示信号在放大过程中引入的噪声量。线性度则表示放大器在放大信号时保持信号不失真的能力。
采取电磁屏蔽、滤波等措施， 减小外部噪声对放大器性能的 影响。
降低闪烁噪声
采用适当的偏置条件和频率补 偿，降低闪烁噪声的影响。
03
CATALOGUE
低噪声放大器的电路设计
晶体管的选择
总结词
晶体管的选择是低噪声放大器设计的关 键，需要考虑其噪声性能、增益、稳定 性等参数。
VS
详细描述
在选择晶体管时，需要考虑其噪声性能， 通常选用低噪声晶体管以减小放大器的噪 声。同时，需要考虑晶体管的增益，以保 证放大器能够提供足够的增益。此外，稳 定性也是需要考虑的一个重要参数，以确 保放大器在工作时不会发生振荡或失真。
匹配网络的设计
总结词
匹配网络的设计对于低噪声放大器的性能至 关重要，其主要作用是减小信号反射和减小 噪声。
详细描述
匹配网络是低噪声放大器中不可或缺的一部 分，其主要作用是减小信号反射和减小噪声 。设计时需要考虑阻抗匹配和噪声匹配，以 使信号尽可能少地反射回源端，同时减小放 大器的噪声。常用的匹配网络有LC匹配网络 、微带线匹配网络等。
《低噪声放大器设 计》ppt课件
目 录
低噪声放大器介绍
低噪声放大器低噪声放大器是一种具有优良噪声特性而增益较高的小信号放大器，一般位于接收机的前端，是决定整个接收系统噪声特性的关键部件。
目前常见的低噪声放大器有以下几种：低温制冷参量放大器、常温恒温参量放大器、微波场效应晶体管放大器和高电子迁移率晶体管放大器等。
参量放大器采用变容电抗元件（变容二极管）对信号进行放大，可以获得满意的低噪声性能，进一步降低其工作的环境温度（例如环境温度达20K），会大幅度改善其噪声性能。
然而随着金属半导体场效应晶体管性能的改善与提高，低噪声场效应放大器的噪声性能已接近于常温参量放大器的水平。
同时，由于FET放大器具有性能稳定、结构紧凑、价格低廉等优点，它已逐步取代了参量放大器。
目前，Ku频段以下的低噪声放大器普遍采用低噪声FET放大器。
继低噪声MESFET之后，高电子迁移率晶体管（High Electron Mobiliey Transistor），简称HEMT器件，获得了迅速的发展。
它在低噪声、高工作频率方面比FET更优越，已广泛投入使用。
目前广泛使用的是金属半导体场效应管低噪声放大器。
它的核心部件是金属半导体场效应管（MESFET）。
金属半导体场效应管是用本征砷化镓作为基片的衬底，用特殊工艺形成源极（S）、栅极（G）和漏极（D）三个电极；通过栅极电压来控制漏极电流，从而实现对小信号的放大功能。
微波场效应管的主要参数有：特征频率、单向功率增益和最大振荡频率、最大输出功率和噪声特性。
微波场效应管低噪声放大器设计主要考虑的问题是计算输入、输出匹配网络和选择工作点。
通常第一、二级按最小噪声系数设计，中间级按高增益设计，末级则保持良好的线性，满足系统互调特性的要求。
微波场效应管低噪声放大器的设计步骤：1、 选择适当的电路形式一般采用共源极电路形式，并尽可能选用f T 高的管子。
一般0)5~3(f f T =。
2、 确定工作点和偏置电路小信号管做低噪声放大时，漏极电流很小，一般为10mA 左右。
低噪声放大器原理
低噪声放大器原理
低噪声放大器的工作原理可以简单地概括为：接收输入信号，放大信号，输出信号。
将信号输入到放大器中，放大器通过增加信号幅度来提高信噪比，然后将信号输出到后续的电路中。
由于LNA需要将信号从噪声背景中提取出来，因此需要尽可能减小放大器本身产生的噪声。
在这个过程中，放大器单元的噪声也被放大，因此输出信号中包含有噪声。
为了减小放大器本身的噪声，需要在放大器单元前后加上合适的匹配网络，使得输入信号的功率得到最大化，而噪声功率得到最小化。
LNA的噪声主要来自两个方面：器件本身的噪声和放大器的失真。
为了减小器件本身的噪声，可以使用低噪声晶体管等低噪声器件，并采用合适的工艺和布线方式，减小器件之间的串扰和互感。
为了减小失真，可以使用高线性度的器件，采用反馈电路等方法来提高放大器的稳定性和线性度。
具体地，当输入信号进入输入网络时，它会被匹配到放大器单元的输入阻抗，并通过放大器单元的放大作用，使得信号的幅度得到增大。
低噪声放大器
低噪声放大器1. 引言低噪声放大器（Low-Noise Amplifier，LNA）是一种广泛应用于无线通信系统中的重要电路器件。
它的主要功能是将来自天线的微弱信号放大到一个足够强度，以便后续电路可以有效地处理。
在无线通信系统中，LNAs通常作为接收链路的第一级放大器，承担着放大微弱信号、增加系统灵敏度、提高信噪比的关键任务。
本文将介绍低噪声放大器的工作原理、性能指标以及常见的设计技术，希望能帮助读者更好地理解和应用低噪声放大器。
2. 工作原理低噪声放大器的工作原理与一般放大器相似，都是通过引入外部直流电源，利用放大元件（例如晶体管）的放大特性，将输入信号放大到所需的幅度。
与一般放大器不同的是，低噪声放大器在设计上注重将输入端的噪声最小化。
这是因为在无线通信系统中，接收链路中的噪声是非常重要的考量因素。
LNAs需要尽可能地放大微弱信号，同时不引入过多的噪声，以保持系统的信噪比。
为了实现低噪声的放大，低噪声放大器采用了一系列的设计技术和电路拓扑。
接下来，我们将介绍一些常见的设计技术。
3. 设计技术3.1 硅锗杂化放大器硅锗杂化放大器是一种常见的低噪声放大器设计技术。
它采用硅和锗两种材料的结合，兼具硅和锗的优点。
硅材料具有良好的集成性能和工艺制造能力，而锗材料具有较高的迁移率和较低的噪声系数。
因此，硅锗杂化放大器能够在保持良好集成性能的同时，实现较低的噪声指标。
3.2 噪声系数优化噪声系数是衡量低噪声放大器性能的重要指标之一。
为了优化噪声系数，设计者可以采用一系列的技术手段，例如：•尽量采用低噪声的放大元件，例如高迁移率的晶体管；•优化电源的供电电压和电流，以减小噪声；•使用电流源对放大电路进行偏置，以提高放大器的线性度。
3.3 反馈放大器设计反馈放大器是一种常用的放大器设计技术，也可以应用于低噪声放大器的设计中。
通过适当选择反馈回路的参数和拓扑结构，可以有效地减小放大器的噪声系数。
在反馈放大器中，一部分输出信号经过反馈回路与输入信号相叠加，形成反馈信号，从而减小噪声。
低噪声放大器原理
低噪声放大器原理
低噪声放大器是一种用于增强电信号的电子设备，同时尽量减小噪声的影响。
其工作原理主要包括以下几个方面：
1. 输入缓冲器：低噪声放大器的第一阶段通常是一个输入缓冲器，用于隔离外部电路和后续放大器之间的电路功率。
输入缓冲器通常由晶体管、场效应管等构成，并具有高输入阻抗和低输出阻抗。
2. 增益放大器：增益放大器是低噪声放大器的核心部分，其作用是放大输入信号的幅度。
为了实现低噪声的目标，通常采用高品质因数的放大器，如共栅放大器、共源放大器等。
此外，为了进一步降低噪声，还可以利用负反馈技术，通过引入一个衰减信号对输入信号进行抵消。
3. 输出缓冲器：输出缓冲器用于隔离后续电路和放大器之间的输出功率。
其输出阻抗应尽量小，以保证放大器的输出信号能够有效地驱动后续电路。
4. 噪声抑制技术：在设计低噪声放大器时，需要采取一系列的措施来降低噪声的影响。
例如，采用低噪声元件、降低输入电阻、最小化电路布线上的耦合噪声等。
此外，还可以通过优化放大器的频率响应特性和增益特性来进一步降低噪声。
综上所述，低噪声放大器通过采用合适的电路结构和增益技术，以及优化电路参数和噪声抑制措施，实现对输入信号的高增益放大同时尽量减小噪声的影响。
低噪声放大器
• 一、实验目的 • 1． 通过试验，了解MMIC放大模块的使用方法、馈电方法、电 • • • • •
路构成及性能测试方法。 2． 熟悉微波网络分析仪的基本使用方法。 3． 了解MMIC放大器的通频带、增益及1d B压缩功率点的测试 方法。 二、实验原理 微波单片集成电路（简称MMIC）在微型化和电性能方面具有很 多优点，是微波电路的发展方向。微波单片集成电路是把无源电 路、无源元件、有源半导体器件都支座在同一个半导体芯片上。 小信号放大器主要是低噪声放大器，一般位于微波接收系统前端 位置。对于低噪声放大器，其主要技术指标是噪声系数与噪声温 度
• 1． 设置扫频带宽 • 测试时，先将网络分析仪的信号源输出功率设置为0dBm。选择仪
器OUTPUT POWER按键，利用数字键盘输入-5后按回车键。按 照图25连接好测试系统和被测器件。在扫频通带粗略看一下放大 器频带曲线情况，找到自己所测试的器件的频带范围。选择仪器 CURSOR 光 标 菜 单 区 域 的 ON 键 ， 然 后 按 select 键 ， 选 择 MAXIMUM菜单，可以通到1上看到当前幅频特性曲线的最大值 的频率值，以这个频率为中心频率选择合适的跨度（SPAN）,也 可以设置仪器的起始频率和终止频率来实现。按FREQUENCY键， 可用SELECT键选择两种不同的频率范围设置方式，以后的测试 就以这个设置频带范围来进行。 • 2． 设置输出电平 • 把输入给被测放大器的微波功率设置为比较小值，比如－30dBm。 应根据被测放大器增益设置输入功率，使放大器输出功率远低于 饱和点为宜，将扫频信号源的输出功率设置到比较合适的数值， 注意，如果不清楚放大器的输出，可以先在放大器输出，检波器 输入的中间位置加上适当的衰减器，一定要然后按照仪器正常操 作步骤进行。
低噪声放大器
特点
相噪低 相噪高 功率小 功率小 相噪低
适用电路
放大振荡 功率放大 小信号放 大 小信号放 大 放大振荡
价格
低 中 高 高 高
2-10 2-40 2-40
HBT
1-40
关于放大管（续）
根据要求选定放大管后，首先要做的事情就是根据管子 提供的参数经过计算判断他的稳定性，一个稳定的系统才能 正常工作。那么怎么判断晶体管的稳定性呢？ 我们从反射系数的角度出发，那就是当反射系数的模小于1的 时，系统才是稳定的。（？）经过一些计算最终我们得到下 面判别条件：
直流偏置电路设计（续）
选择静态电流 的原则
直流偏置电路设计（续）
直流偏置电路设计（续）
直流偏置电路设计（续）
直 流 偏 置 电 路 设 计 （续 ）
直流偏置电路设计（续）
4、微波控制电路
根据我们的实际，微波控制电路主要采用反馈控制方式， 我们主要介绍ALC（Automatic Level Control），它的常见应 用就是AGC（ Automatic Gain Control ），其他的反馈控制还 有AFC（ Automatic Frequency Control ）和PLL（Phase Lock Loop），下面以功率控制为例介绍ALC电路原理应用。
模拟电路低噪声放大器
模拟电路低噪声放大器低噪声放大器是模拟电路中非常重要的一种电路，其功能是将信号放大而不引入额外的噪声。
在许多应用中，特别是在通信系统和传感器领域，低噪声放大器的性能对于提高系统的灵敏度至关重要。
本文将介绍低噪声放大器的基本原理以及其设计和优化方法。
1. 低噪声放大器的基本原理低噪声放大器的基本原理是将输入信号放大到合适的电平，同时尽量减小额外引入的噪声。
根据信号放大的方式，低噪声放大器可以分为两大类：分别是磁控管放大器和晶体管放大器。
（这里以晶体管放大器为例进行介绍）晶体管是一种具有放大功能的半导体器件。
在低噪声放大器中，常用的晶体管有双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。
BJT和FET在放大信号时都会引入噪声，因此需要采取一系列优化措施来减小噪声。
2. 低噪声放大器的设计方法低噪声放大器的设计需要考虑多个因素，包括放大系数、带宽、噪声系数等。
下面将逐一介绍这些因素的设计方法。
（第一段：放大系数的设计方法）放大系数是低噪声放大器的一个重要性能指标，表示信号在放大器中的放大倍数。
放大系数的设计需要根据实际应用需求来确定。
一般而言，放大系数越高，系统的灵敏度就越高，但同时也会引入更多的噪声。
因此在设计过程中需要进行权衡。
（第二段：带宽的设计方法）带宽是指放大器能够放大的频率范围。
在低噪声放大器设计中，带宽的选择需要根据应用需求来确定。
如果应用中需要放大的信号频率范围较宽，那么带宽应选择相对较宽的放大器。
然而，较宽的带宽通常会导致噪声系数的增加，因此在设计过程中需要进行噪声和带宽的平衡。
（第三段：噪声系数的设计方法）噪声系数是衡量低噪声放大器性能的重要指标。
噪声系数越低，表示放大器引入的额外噪声越少，系统的信噪比就越高。
在设计过程中，可以采用多种方法来降低噪声系数，例如使用高质量的元器件、采用合适的电路结构等。
3. 低噪声放大器的优化方法为了进一步提高低噪声放大器的性能，可以采取一些优化方法。
低噪声放大器工作原理
低噪声放大器工作原理低噪声放大器是一种电子设备，它的主要作用是将弱信号放大，使其能够被检测和处理。
它通常被用于信号处理、通信系统、医学设备、声学设备和其他各种应用中。
本文将介绍低噪声放大器的工作原理及其应用。
低噪声放大器的工作原理低噪声放大器的基本结构由三个主要部分组成：放大器、噪声源和反馈电路。
放大器是放大器的核心部件，它可以将输入信号放大到所需的级别。
噪声源是一个特殊的电路，它产生一些随机的电压或电流波动，这些波动会在放大器中产生噪声。
反馈电路则是用于稳定放大器的增益和输出电平。
低噪声放大器的主要特点是它的噪声比较低，这是由于它的前置放大器采用了低噪声放大器管。
这种管的噪声比一般的放大器管低得多，因此可以在放大信号的同时尽量避免噪声的干扰。
低噪声放大器的应用低噪声放大器主要用于信号处理和通信系统中，因为信号在传输过程中往往会受到各种干扰，如电磁辐射、噪声等。
低噪声放大器可以将信号从噪声中分离出来，从而提高信号的质量。
低噪声放大器还被广泛应用于医学设备中，如心电图机、脑电图机和血压计等。
在这些应用中，低噪声放大器可以帮助医生更准确地检测和分析患者的生理信号，从而更好地诊断和治疗疾病。
低噪声放大器还可以用于声学设备中，如麦克风和扬声器等。
在这些应用中，低噪声放大器可以帮助设备更好地捕捉声音，从而提高声音的清晰度和质量。
总结低噪声放大器是一种非常重要的电子设备，它可以将弱信号放大，并尽量减少噪声干扰。
其主要应用领域包括信号处理、通信系统、医学设备和声学设备等。
在未来，随着科技的不断发展，低噪声放大器将会得到更广泛的应用，并不断地改善人们的生活。
低噪声放大器(LNA)
(4)
进一步分析显示，产生给定 Fi 的 ΓS 位于一个圆周上，该圆的圆心和半径分别为 CF
i
Γ opt = ------------1 + Ni
(5a) (5b)
(5)
1 - N i2 + N i ( 1 – Γ opt 2 ) r F = ------------i 1 + Ni
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) > 二端口网络的噪声系数
(8)
• 匹配条件下的噪声系数
上图所示共源放大器的主要噪声源分别为
2 = 4 kT γ g » MOS 管沟道热噪声 i d d 0 ⋅ ∆f 2 = 4 kTR ⋅ ∆f » 电感 Lg 的串联寄生电阻 Rl 的热噪声 v rl l 2 = 4 kTR ⋅ ∆f » MOS 管栅极多晶硅电阻 Rg 的热噪声 v rg g
射频集成电路设计基础 > 低噪声放大器 (LNA) > 二端口网络的噪声系数
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那么噪声系数可以写成
4 r n Γ S – Γ opt F = F min + --------------------------------------------------( 1 – Γ S 2 ) ⋅ 1 + Γ opt 2
2 in ,S
2 vn 2 in
YS
Source
Noiseless Network
Two-port Network
定义
Y S = G S + jB S , Y c = G c + jB c ,
2 2 2 vn iu in ,S - , G u = -------------- , G S = -------------R n = -------------4 kT ∆f 4 kT ∆f 4 kT ∆f
《低噪声放大器》课件
作用：提高信号 的信噪比，降低 噪声对信号的影 响
应用场景：无线 通信、雷达、电 子测量等领域
特点：高增益、 低噪声系数、高 线性度、高稳定 性等
工作原理
低噪声放大器是一种用于放大微弱信号的电子设备 工作原理主要是通过放大微弱信号，同时抑制噪声信号 低噪声放大器通常采用低噪声晶体管作为放大元件 低噪声放大器广泛应用于通信、雷达、电子测量等领域
未来发展方向与展望
技术发展趋势：集成化、小型化、低功耗 应用领域拓展：5G通信、物联网、汽车电子等 挑战与机遇：市场竞争激烈、技术更新快、成本压力 创新与突破：新材料、新工艺、新设计 发展趋势预测：市场需求持续增长，技术不断进步，市场竞争加剧
感谢观看
汇报人：
医疗领域：用于 医疗仪器，如心 电图、脑电图等
军事领域：用于 雷达、声纳等设 备，提高探测距 离和精度
科研领域：用于 科学研究，如天 文观测、地震监 测等
05
低噪声放大器性能测试与评估
测试方法与标准
测试环境：温度、湿度、电磁干扰等
测试标准：IEEE、ITU、3GPP等国际 标准
测试设备：信号源、频谱分析仪、噪 声分析仪等
低噪声放大器设 计实例3：采用 集成电路作为放 大器，实现低噪 声放大
低噪声放大器设 计实例4：采用 混合信号电路作 为放大器，实现 低噪声放大
04
低噪声放大器应用
通信系统应用
移动通信：提高信号接收质量，降低噪声干扰 卫星通信：增强信号接收能力，提高通信质量 无线局域网：提高信号接收灵敏度，扩大覆盖范围 广播电视：提高信号接收质量，改善图像和声音效果
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低噪声放大器PPT课件大
纲
汇报人：
目录
低噪音放大器的原理
低噪音放大器的原理低噪音放大器是一种用于放大微弱信号的电子设备，它的主要特点是在信号放大的过程中尽量减少噪音的产生和干扰。
低噪音放大器广泛应用于无线通信、雷达、医疗仪器等领域，对于提高信号质量和系统性能至关重要。
低噪音放大器的原理基于两个关键方面：电子元件的噪声特性和电路设计的优化。
了解电子元件的噪声特性对于低噪音放大器的设计非常重要。
在电子元件中，噪声可以分为两种类型：热噪声和非热噪声。
热噪声是由于电子元件内部的热运动引起的，其大小与元件的温度有关。
例如，电阻器的热噪声与其阻值和温度成正比。
非热噪声则是由于电子元件结构和工艺引起的，例如晶体管的非热噪声与其结构参数和工艺有关。
电路设计的优化对于低噪音放大器的性能至关重要。
在电路设计中，有几个关键的方面需要考虑。
首先是选择合适的放大器结构。
常见的放大器结构有共射放大器、共基放大器和共集放大器。
其中，共射放大器是最常用的，具有较高的增益和较低的噪声系数。
共射放大器的特点是输入端接地，输出端通过负载电阻与电源电压相连。
该结构的特点使得其具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，适合用于信号放大。
其次是选择合适的工作点。
工作点是指放大器在静态条件下的工作状态。
选择合适的工作点可以使得放大器在放大信号的同时，尽量减小噪声的产生。
通常情况下，工作点选择在晶体管的中间区域，以保证其具有较高的增益和较低的噪声系数。
还需要注意电路的匹配和稳定性。
匹配是指输入端和输出端的阻抗与信号源和负载的阻抗相匹配，以提高信号传输的效率。
稳定性是指电路对于外部干扰和温度变化的抵抗能力。
为了提高电路的稳定性，可以采用负反馈的方法，将一部分输出信号反馈到输入端，抑制干扰和噪声的产生。
还可以采用一些降噪的技术来进一步减小噪声的影响。
例如，可以使用低噪音的电源和优质的电子元件，以减小噪声的来源。
同时，还可以采用滤波器来滤除噪声信号。
低噪音放大器的原理基于电子元件的噪声特性和电路设计的优化。
通过选择合适的放大器结构和工作点，优化电路的匹配和稳定性，以及采用降噪的技术，可以有效地减小噪声的产生和干扰，提高信号的质量和系统性能。
低噪声放大器设计
19
输入匹配电路——结构类型
并联导纳型匹配电路
20
阻抗变换型匹配电路
微带电路拓扑结构的选择原则
跳变式的阻抗变换器类，
21
（1）微波的高频段，比如工作频率在X波段或更高，宜选用微带阻抗
（2）对于微波的低频段，例如S波段或更低端，宜选用分支微带结构。 （ 3 ）微波管输入阻抗为容性时，此时 s11 处在史密斯圆图下半平面， 匹配电路第1个微带元件宜用电感性微带单元；反之，当s11处在 史密斯圆图上半平面时，宜用电容性微带单元。 （4）微波晶体管输入总阻抗为低阻抗时，即s11处在史密斯圆图第2、 3象限，微带变换器应采用高特性阻抗的微带线；反之，s11处在 史密斯圆图第1 、4 象限时，为高输入阻抗，微带变换器宜采用 低特性阻抗微带线。
放大器的稳定性
当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于 1（即1 1, 2
10
1 ）时，不
管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定； 当输入端或输出端的反射系数的模大于 1 时，网络是不稳定的，称为条件稳定。 对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围， 否则放大器不能稳定工作。 定义：
此时，放大器具有最小噪声系数Nfmin，称为最佳噪声匹配状态。
在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆
14
输入、输出不匹配时，增益将下降。因为负载 是复数，有可能在不同的负载下得到相同的输 出，经分析在圆图上，等增益线为一圆，这个 圆叫等增益圆。 当输入匹配电路不能使信源反射系数S和最佳反
射系数opt（噪声系数最小时的反射系数）相等时， 放大器噪声将增大。由于S是复数，不同的S值有 可能得到相同的噪声系数，在圆图上噪声系数等值 线为一圆，叫等噪声圆。
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集成LNA电路
电压并联反馈
高电压增益 共射放大器 直流偏置 T2射极有源负载
射极跟随器
LNA的噪声匹配
双端口网络噪声匹配
(a)噪声源驱动一个含噪声的二端口网络 ( )等效噪声模型 (b)等效噪声模型
LNA的噪声匹配
两端口网络的等效输入噪声源
任何一个有噪的两端口网络的内部噪声都可以由 置于输入端口的两个噪声源来等效：一个是和信 号源串联的噪声电压U2n和一个并联的噪声电流源 I2n，而把该两端口网络看作一个无噪网络（其内 部的所有器件均是理想无噪的） 其中U2n是当输入端短路时，有噪网络的输出噪声 是当输入端短路时 有噪网络的输出噪声 功率等效到输入端的值 而I2n是当输入端开路时有噪网络的输出噪声功率 等效到输入端的值。
Req ( Rs rbb' ) // rb'e
Rs rbb' rb'e
rb'e ( Rs rbb' )
Rs rbb' rb'e
• 共射小信号放大电路的电压增益
Aus ( s ) U out ( s ) U s (s)
.
AI AI 1 s / p 1 sR eq C eq
2)场效应管共源－共栅电路
集成宽带低噪声放大器——组合LNA电路 集成宽带低噪声放大器 组合LNA电路
2)场效应管共源－共栅电路 ) 共源极和共栅极的级联叫作共源共栅结构(cascode) 采用共源共栅结构，可以大大减弱密勒效应 共源共栅极电路的跨导大于共源极电路的 跨导，因 跨导 因 而可以获得较高的电压增益； 输出电阻 输出 Rout = [1+(gm2 + gmb2)ro2]ro1 + ro2， 假设gm >> 1，Rout ≈ (gm2 + gmb2 b )r o o2ro o1， 即T2把T1的输 出阻抗提高至原来的(gm2 + gmb2)ro2倍 具有屏蔽特性
gm gm fm 2 (C gs C gd ) 2C gs
本章内容
LNA主要指标 晶体管高频小信号模型 高频小信号单回路选频放大器 集成宽带放大器 LNA的噪声匹配 LNA设计举例 本章要点
密勒效应
C
X
-A -A
Y Z2
X Cin
-A A
Y
Z1
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)
•输入端等效电容 输 端等效电容
Ceq C gs (1 g m RD )C gd C gs g m RD C gd (1 C gd C gs g m RD )C gs DC gs
• 主极点值为
1 p RS Ceq
1 1 H p RS Ceq Rs DCgs
G u | Y c Y s |2 R N F 1 Gs G u [( G c G s ) 2 ( B c B s ) 2 ] R N 1 Gs
当Bs = -Bc= Bopt时，对给定的 对 G s有
LNA的噪声匹配 噪声 ——双端口网络噪声匹配
Gu (Gc G s ) 2 RN F 1 Gs
LNA的噪声匹配 噪声 ——双端口网络噪声匹配
iN = ic + iu ic = YcuN
常数Yc称为相关导纳，它表示eN和iN之间的导纳， Yc = Gc + jBc，Gc为相关电导， 为相关电导 Bc为相关电纳。 噪声系数F：
F
i iu (Yc Ys )u N
2 s
2
is2
1
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 极型 极管共射极高频 信号电路分析
分析步骤 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； 把该系统单向化近似 简化为含 个电容的 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GBP 共发放大器增益带宽积GBP
gm gm fT 2 (Cb 'e Cb 'c ) 2Cb 'e
晶体管高频小信号模型 高 ——场效应管小信号等效模型
主要参数： 跨导gm、输出电阻 输出电阻rds、栅源极间和栅漏极间电容 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fm
晶体管高频小信号模型 晶体管高频 信号模型 ——场效应管小信号等效模型
主要参数： 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 为几十到几百欧。
晶体管高频 信号模型 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
gmUb b’e e表示双极型晶体管放大作用的等效电流源。 iC IE gm U BE Q rbe大倍数 定义为共射输出短路电流放大倍数β 下降为1时的频率
晶体管高频 信号模型 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
主要参数 主要参数：
rb b’e e为发射结的结电阻，其值为：
UT rb 'e (1 ) re (1 ) I EQ
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 b’c 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
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
•输入端总等效电容为 Ceq [1 g m R •主极点值为 主极点值为 •中频区电压增益 中频区电压增益
AI
' RL
' L
Cb ' c Cb ' e
]Cb 'e DCb 'e
1 p Req Ceq
Ceq两端并联等效电阻
第六章 低噪声放大器
李芹
本章内容
LNA主要指标 晶体管高频小信号模型 高频小信号单回路选频放大器 集成宽带放大器 LNA的噪声匹配 LNA设计举例 本章要点
LNA主要指标
• 低噪声放大器在接收通道中的作用与位置
LNA主要指标
LNA的主要特点 要求LNA有较低的噪声系数。 要求LNA有一定的功率增益 有 。 要求LNA具有足够的线性范围。 要求LNA具有足够的线性范围 LNA的匹配问题
•上限角频率
Rs rbb ' rb ' e 1 H p ReqCeq ( Rs rbb ' )rb 'e DCb ' e
双极型三极管共射极高频小信号电路
由于Ceq大于Cb’c ，因此可以省略密勒输出电容 因此可以省略密勒输出电容 Cb’c ，系统可以单极点化。对于单极点系统， 上限角频率等于系统的极点频率。 上限角频率等于系统的极点频率 评价高性能放大器的另一个指标就是增益带宽 积，用GBP表示，定义为中频区电压增益与上 限频率的乘积的绝对值。 GBP=︱AvsI*fH︱=[ωT/(2πD)]*R’L/(Rs+rb’b) 1+gmR’L*Cb’c 1+ωT 密勒倍增因子 D=1+g b’ /Cb’e b’ =1+ R’LCb’c 特征频率ωT =gm/Cb’e=β/(rb’eCb’e)
本章内容
LNA主要指标 晶体管高频小信号模型 高频小信号单回路选频放大器 集成宽带放大器 LNA的噪声匹配 LNA设计举例 本章要点
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
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 .
单管低噪声放大器 ——场效应管共源极高频小信号电路分析
共源电路 密勒近似简化电路 共源电路及密勒近似简化电路
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AUS
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 场 应管共源 高频 号电路分
i | Yc Ys | u
2 u 2
2 N
is2
LNA的噪声匹配 ——双端口网络噪声匹配
RN u 4 kTB
2 n
Gu
2 iu
4kTB
2 is Gs 4kTB
， 式中， RN – 网络等效输入噪声电阻； Gu – 非相关分量iu电导； Gs – 噪声源电导； 由此，噪声因数可以只用阻抗和导纳项来表示，把 每个导纳Y分解成电导G和电纳B之和：
极点和结点的关系
Rs Cin M
-A -A1
R1 CN
N
-A -A2
R2 CP
P
Vout V t A1 A2 1 (s) Vin V 1 RS Cin s 1 R1C N s 1 R2C P s
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
为得到最小的 值 令 为得到最小的F值，
F G s
• 上限角频率ωH为 • 电压增益
Aus ( s)
U out ( s) AI AI g m RD U s ( s ) 1 s / p 1 sRS Ceq 1 sRS DCgs
本章内容
LNA主要指标 晶体管高频小信号模型 高频小信号单回路选频放大器 集成宽带放大器 LNA的噪声匹配 LNA设计举例 本章要点
跨导gm
gm
C oxW