低噪声放大器概述.

放大器理论基础
晶体管技术
E Si
发 射 结
B SiGe
集 电 结
C Si/ SiGe
图1、HBT结构示意图
如果集电结使用Si 为单异质结晶体管 如果集电结使用SiGe 为双异质结晶体管
图2、HEMT 结构示意图
放大器理论基础
晶体管技术
HBT 异质结双极性晶体管 HBT
基本原理：
发射区和基区采用不同的半导体材料，且发射区为宽能隙材料 发射区注入基区的载流子效率提高
Pout G （常数） Pin
频谱角度：
输入频谱成份和输出频百度文库成份一致
由于BJT输入输出成指数关系以及 FET输入输出成平方律关系 实际不存线性放大器，只存在满足工程要求的线性区和非线性区
放大器理论基础
放大器动态范围
VCC RC RE
V1 R b1 Q1 R b2 R c VC C
ic
晶体管技术
体积更小、更易于集成
BJT
更 优 的 噪 声 性 能 更 高 的 电 子 迁 移 率 更 优 的 噪 声 性 能
FET
更 高 的 电 子 迁 移 率
HBT
HEMT、pHEMT
HBT：异质结双极晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor） HEMT：高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor）
放大器理论基础
放大器动态范围
如果静态工作点Q偏高产生饱和失真，如图6 如果静态工作电Q偏低产生截至失真，如图7
放大器理论基础
放大器非线性
谐波失真
在放大器进入非线性区后，其谐波产生的负面 影响不能再忽略尤其是在零中频系统中fc/2、fc/3 等均为接收机的杂散频率，经过LNA后其二次、 三次谐波形成同频干扰。所以在零中频系统中会 对LNA的谐波指标有所要求
放大器理论基础
放大器非线性
三阶互调
w 1 w2 w
互调产生示意图
w1 w2 w 2 w1 w2 2 w2 w1
两个强干扰信号时，但是它们经过非线性器件后形成的 组合频率分量有可能落在有用信号信道内，降低原有SNR 从而干扰有用信号。这种由于干扰信号互相调制产生组合 频率形成的干扰就叫着互调干扰。 IP3：三阶互调功率和基波功率达到相等的点， 对应的输入信号电平为IIP3 对应的输出信号电平为OIP3
增益压缩
仅考虑到三次方项，基波输出电流与输出电压的关系
放大器理论基础
放大器非线性
大信号平均跨导：
基波信号电流：
总结：
①、大信号平均跨导与输入信号幅度相关，增益与输入信号幅度相关 ②、在大信号输入是，a3小于0，gm随输入信号增大而减小，出现增益压缩
P-1dB：随着输入信号增大，增益比线性放大预期下降1dB对应的输入信号电平
• • • 被束缚的电子要成为自由电子所需要的最小能量 Ge＜Si＜GaAs ＜InP ＜GaN 禁带宽度越大 工作温度上限越高 耐压越高
影响要素
电子迁移率
• • • •
电子在单位电场下的平均漂移速度 电子迁移率越高，极限频率越高 电子迁移率越高 噪声越小 Si ＜GaN ＜ InP ＜ GaAs
放大器理论基础
目录
1
放大器基础理论
2
LNA设计
3
Checklist
基础知识
放大器理论基础
半导体材料
硅和锗
材料成熟 制作工艺简单 成本低廉
GaAs、InP等
光电性能好 工作频率高 功率效率高 工作温度高
GaN
更好的光电性能 更好的功率特性 更高的结温 更高的击穿电压
第一代
第二代
第三代
放大器理论基础
半导体材料
禁带宽度
感应栅级噪声
栅级电容耦合沟道噪声
分配噪声
基区复合电流
闪烁噪声
晶格陷阱效应
闪烁噪声
载流子复合
放大器理论基础
噪声 噪声影响因数
噪声与材料
电子迁移率越高的材料，等 效的热阻越小，噪声性能好
噪声与工艺
HBT噪声性能优于BJT HEMT噪声性能优于FET
器件直流工作点
双极型晶体管 静态电流越大， 噪声性能越差 场效应管 电流越大，噪声性 能越好
放大器理论基础
晶体管技术
pHEMT（赝高电子迁移率晶体管 ）
• • • pHEMT是HEMT的一种改进结构 普通HEMT存在一种所谓DX中心，阈值电压不稳定 非掺杂的InGaAs层
pHEMT优点：
• • • • • 工作频率更高 输出电阻高 跨导大 噪声更低 更高的功率转换效率
图3、pHEMT结构示意图
放大器理论基础
噪声系数
定义：
输入信噪比和输出信噪比的比值
SNR In F SNR Out
双极型晶体管：
FMin 1
1 g m rbb ‘

场效应管
FMin 1
4Cgs 3g m
放大器理论基础
线性放大器 何为线性放大器？
增益角度：
增益不随输入信号强度变化而变化；
放大器理论基础
噪声
噪声定义：
一切随机的、非期望的信号均可看作是噪声 噪声分类： 1、内部产生 2、外部产生
放大器理论基础
噪声
BJT FET
热噪声
基区体电阻产生；
沟道噪声
沟道电阻
一般来说
FET的闪烁噪声比 BJT的闪烁噪声大 FET总的噪声 比BJT小
散粒噪声
PN结电流的随机起伏
Q
IC
+
I CQ
I cm
I CEO VCES
I BQ
IB V b e
IE
—
Vce _ R e
O
VCEQ
VCC
vce
图4、常用BJT放大器的直流偏置电路
Vcem
输出回路直流电压方程：
图5、BJT放大器动态范围
VCC VCE I C RC I E RE VCE I C ( RC RE )
基本原理：
同HBT一样，引入异质结。在控制区（gate）使用宽能隙材料且掺杂， 沟道使用窄能隙本征半导体材料（不掺杂）。在异质结表面形成具有高 电子迁移率的二维电子气，二维电子气提供导电通道
特点：
高的截止频率fT； 高的工作速度； 短沟道效应较小； 噪声性能好
应用
AlGaAs/GaAs 微波低噪声放大、高速数字集成电路 、功率放大、 微波震荡
特点：
放大倍数由发射区和基区材料的禁带宽度之差决定 发射区和基区参杂浓度设计更灵活 基区电阻小，噪声性能比普通BJT好 载流子速度更高，fT 频率比普通BJT高
应用
SiGe HBT 主要应用于射频前端LNA、小功率放大、振荡器等
放大器理论基础
晶体管技术
HEMT 高电子迁移率场效应管
HEMT