02低噪声放大器

《通信电子线路》

(第 2 版)

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

图2.1.1 某CDMA移动台射频前端收发系统结构框图

2．1 引言

•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

•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r b’e 、发射结电容C b’e 、集电结电容C b’c 基极电阻r bb’、g m U b’e 、特征频率f T .

2．2 晶体管高频小信号模型

•r b ’e 为发射结的结电阻，其值为：

EQ

T e e b I U r r )1()1('ββ+=+=•C b ’e 为发射结电容，包含势垒电容C T 和扩散电容C D 两部份，C b ’e = C T + C D

•C b ’c 为集电结电容，它也包含势垒电容C T 和扩散电容C D 两部份

主要参数：2．2 晶体管高频小信号模型

2．2．１

双极型晶体管共射小信号等效模型

•r bb ’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。

•g m U b ’e 表示双极型晶体管放大作用的等效电流源。

mV

I r U i g E be Q BE C m 26≈=∂∂=β•特征频率f T ，定义为共射输出短路电流放大倍数β下降为1时的频率m m T C g C C g f 2)(2ππ≈+=主要参数：

2．2 晶体管高频小信号模型

2．2．１双极型晶体管共射小信号等效模型

主要参数：

跨导g m 、输出电阻r ds 、栅源极间和栅漏极间电容C gs 和C gd 、漏源极间电容C ds 、最高工作频率f m

2．2 晶体管高频小信号模型2．2．2场效应管小信号模型

•跨导g m

DQ

ox th GS GSQ ox m I l W

C U U l W

C g 22)()(μμ≈−≈µ为迁移率，通常为常数。C ox 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r ds DQ

ds ds I g r λ11≈=A U /1−=λ称为沟道长度调制系数，U A 为厄尔利电压

主要参数：

2．2 晶体管高频小信号模型

2．2．2

场效应管小信号模型

•栅源极间和栅漏极间电容C gs 和C gd

•漏源极间电容C ds ，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。C gs 和C gd 主要由MOS 平板电容组成，工程中可以用下式近似估算

Wl C C Wl C C ox gd ox gs 3

1,32== •最高工作频率f m gs m gd gs m m C g C C g f ππ2)(2≈+=主要参数：

2．2 晶体管高频小信号模型

2．2．2场效应管小信号模型

-30

-21

-21

反向隔离（dB ）

-4-3-11.1IIP3 (dBm)14.49.518.1增益（dB ） 1.32.82.8噪声系数NF(dB) 1.4-2.51.91.9工作频率（GHz ） 3.52.04.0电源电流（mA ） 2.7-5.51.93.0

电源电压（V ）SiGe 0.8µm Si Bipolar 0.5µm GaAs FET

工艺2．3 LNA 主要指标

2．3 LNA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

结论：对于无源互易网络，其损耗等于噪声系数。

（a）LC滤波器（b）RC滤波器

•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B N 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？

2．3 LNA 主要指标

2．3 LNA主要指标

■动态范围

动态范围通常定义为接收电路在能保证输出信号质量情况下，最大输入电平与最小输入电平的比值。

SFDR (dB) = Smax(dBm) -Smin(dBm)

■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。

■LNA 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■线性度

例2.3.4 已知LNA 的噪声带宽B N ＝200KHz ，N F =2dB ，求基底噪声N Ft 为多少？若1dB 压缩点的输入功率S in1= -20dBm ，要求输出信噪比D =15dB 时，问此时LNA 的线性动态范围IEDR (Linear dynamic range)为多少？

2．3 LNA 主要指标