射频通信电路：第五讲 低噪声放大器
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去掉偏置
②代入晶体管 等效电路 设晶体管 为单向传输
Thanks
Rs 2gm RS 2β
Rs 2gm RS
BJT管噪声系数与直流工作点、 基区电阻和信号源内阻有关
F =1+ 1 γ 1
RS gm
忽略1/f噪声的场效应管噪声系数 与直流工作点和信号源内阻有关
低噪声放大器指标分析
4.适中的增益
高增益可降低后级对系统噪声系数的影响，但 容易使后级电路产生非线性失真
高频等效电路--BJT
共射放大器原理图
V（BR）EBO ICBO ICEO
工作点Q由基极偏置VBEQ、集电极电源 VCC 负载电阻RL决定
iB(μA) 0
VCE（ V）
11
0
VBE
＋
iC 饱和区
临界饱和 线
截止区
击穿区 iB=iB5
iB=iB4 iB=iB3
iB=iB2 iB=iB1 iB=0 iB=-ICBO
分立低噪声放大器分析步骤
选择合适的直 流偏置，得到 直流工作点
画出放大器 的交流通路
代入小信号模 型，计算放大 器各参数
画交流通路图的原则
直流电源是交流地 大电容（交流旁路电容）短路 大电感（扼流圈)开路 仅做偏置用的直流电阻可不画
分立低噪声放大器交流通路
Q
gmvb′e
ro
rπ
Cπ
① 画交流图 大电容短路 电源是交流地
网络增益：
AV
系统输出信号功率：
AV Po =
Zi Zi + RS
RL
2 VS
2
系统等效输入噪声源 引入的输出噪声功率： No1 =
AV 2 RL
Zi Zi + RS
Vn +
Zi Zi + RS
In RS
信号源电阻引入的输 出噪声功率：
No2
=
AV 2 RL
Zi Zi + RS
2
VRS
增益取决于跨导和输入输出负载的 LNA的负载主要为LC谐振回路 为了适应大动态范围输入信号，一般低噪声放
大器增益设计为可调，即输入信号弱时，增益 可调大，而输入信号强时，增益可调小
低噪声放大器指标分析
5.输入阻抗匹配
最小噪声系数匹配：
2
R2 s ,opt
=
Vn
2
In
最大功率传输匹配，共轭匹配
2π (cπ + cμ )
≈
gm
2π Cπ
与工作点有关
取决于半导体工艺
低噪声放大器指标分析
3.低噪声系数
信号源输入电压VS
信号源内阻噪声均方根电压 VRS 2 = 4kTRs B
此时网络P点输入端信噪比
(SNR ) = Vs2
V i
2
RS
低噪声放大器指标分析
假设： 网络输入阻抗： Zi
网络输出负载： RL
场效应管等效电路
晶体管的放大特性主要由压控电流源 决定 放大器的输入阻抗由 决定，呈容性
放大器输出电阻由 和 决定，该值一般很大
放大器隔离度由 决定
极限工作频率受等效电路中的电容 = (
≈
分立低噪声放大器构成
电路组成：晶体管、偏置、输入匹配和输出负载四大部分
输入匹配网络
输出负载
偏置
晶体管 典型电路
低噪声放大器指标分析
F = 1+ (Vn + In RS )2
4kTRS B
对于高源阻抗， 是主要噪声源 对于低源阻抗， 是主要噪声源
系统最小噪声系数时，信号源阻抗满足：
2
R2 s ,opt
=
Vn
2
In
低噪声放大器指标分析
F = 1+ rbb' + 1 + gm RS ≈ 1+ rbb' + 1
放大器输出电阻由 决定，该值一般很大
放大器隔离度由 决定
Baidu Nhomakorabea
极限工作频率受等效电路中的电容 = (
≈
高频等效电路—场效应管
可变电阻区
共源放大器原理图
饱和区
可变电阻区特性 iD = β n [(vGS − VGS (th) )vDS ]
饱和区可等效为压控电流源
iD
=
1 2
βn (vGS
− VGS (th) )2
低噪声放大器指标分析
输出端信噪比：
( SNR ) o
=
Po No1 + No1
= 2 VRS
VS 2
+ (Vn + In RS )2
得到噪声系数：
F
=
( SNR )1 ( SNR )
o
= 1+ (Vn
)2
+ In RS
2
VRS
= 1+ (Vn + In RS )2
4kTRS B
噪声系数不仅与系统本身内部的噪声 和 有关，而 且与外部输入信号源内阻RS、温度T和系统带宽B有关
V（BR）CEO vCE
输入特性曲线iB=f(VBE,VCE)
输出特性曲线ic=f(iB,VCE)
BJT混合π 型等效电路
当 等效电路代替
，晶体管可以用其
电路中的所有参数均与工作点Q有关 该电路是交流小信号等效电路
BJT小信号等效电路特性
c
e
晶体管的放大特性主要由压控电流源 决定， = 放大器的输入阻抗由 ( 和 ( 决定
射频通信电路 低噪声放大器
低噪声放大器在接收机中的位置
RF
Mixer
VGA
IF
LNA
Band Select Filter
Image Rejection
Filter
LO Channel Select Filter
"I"
LO LO +900
"Q"
ADC &
DSP
Baseband Filter
低噪声放大器一般位于射频接收机的最前端
把晶体管视为一个 双端口黑盒子，分 析其端口参数，适 用于特定频率、线 性参数,如S参数
应用不同的模型，分析设计低噪放的方法不同
低噪声放大器指标
Adobe Acrobat 文档
低噪声放大器指标分析
1.低功耗：移动通信的必然要求 低电源电压、低静态电流
2.工作频率：取决于晶体管的特征频率
fT
=
gm
低噪声放大器特点
位于接收机的最前端：噪声越小越好，且 要有适当的稳定的增益
接收的信号很微弱且变化：小信号线性放 大器，线性动态范围大，增益可调
通过传输线直接和天线或天线滤波器相连 ：良好的匹配
能抑制带外和镜象频率干扰：选频功能
低噪声放大器设计模型
设计模型
物理模型
网络模型
模型中的每个参数 均对应一定的物理 意义，适用的频率 范围较宽，如晶体 管π型等效电路
LNA片外应用电路设计时，一般采用S参数设 计LC网络匹配至最小噪声系数或者最大功率传 输
低噪声放大器指标分析
6.线性指标
一般用1dB压缩点或者IP3描述 放大器的线性范围和器件、电路结构和输入阻
抗网络等有关
7.隔离度和稳定性
放大器信号正向传输用增益描述
LNA
放大器信号反向传输用反向隔离度描述
②代入晶体管 等效电路 设晶体管 为单向传输
Thanks
Rs 2gm RS 2β
Rs 2gm RS
BJT管噪声系数与直流工作点、 基区电阻和信号源内阻有关
F =1+ 1 γ 1
RS gm
忽略1/f噪声的场效应管噪声系数 与直流工作点和信号源内阻有关
低噪声放大器指标分析
4.适中的增益
高增益可降低后级对系统噪声系数的影响，但 容易使后级电路产生非线性失真
高频等效电路--BJT
共射放大器原理图
V（BR）EBO ICBO ICEO
工作点Q由基极偏置VBEQ、集电极电源 VCC 负载电阻RL决定
iB(μA) 0
VCE（ V）
11
0
VBE
＋
iC 饱和区
临界饱和 线
截止区
击穿区 iB=iB5
iB=iB4 iB=iB3
iB=iB2 iB=iB1 iB=0 iB=-ICBO
分立低噪声放大器分析步骤
选择合适的直 流偏置，得到 直流工作点
画出放大器 的交流通路
代入小信号模 型，计算放大 器各参数
画交流通路图的原则
直流电源是交流地 大电容（交流旁路电容）短路 大电感（扼流圈)开路 仅做偏置用的直流电阻可不画
分立低噪声放大器交流通路
Q
gmvb′e
ro
rπ
Cπ
① 画交流图 大电容短路 电源是交流地
网络增益：
AV
系统输出信号功率：
AV Po =
Zi Zi + RS
RL
2 VS
2
系统等效输入噪声源 引入的输出噪声功率： No1 =
AV 2 RL
Zi Zi + RS
Vn +
Zi Zi + RS
In RS
信号源电阻引入的输 出噪声功率：
No2
=
AV 2 RL
Zi Zi + RS
2
VRS
增益取决于跨导和输入输出负载的 LNA的负载主要为LC谐振回路 为了适应大动态范围输入信号，一般低噪声放
大器增益设计为可调，即输入信号弱时，增益 可调大，而输入信号强时，增益可调小
低噪声放大器指标分析
5.输入阻抗匹配
最小噪声系数匹配：
2
R2 s ,opt
=
Vn
2
In
最大功率传输匹配，共轭匹配
2π (cπ + cμ )
≈
gm
2π Cπ
与工作点有关
取决于半导体工艺
低噪声放大器指标分析
3.低噪声系数
信号源输入电压VS
信号源内阻噪声均方根电压 VRS 2 = 4kTRs B
此时网络P点输入端信噪比
(SNR ) = Vs2
V i
2
RS
低噪声放大器指标分析
假设： 网络输入阻抗： Zi
网络输出负载： RL
场效应管等效电路
晶体管的放大特性主要由压控电流源 决定 放大器的输入阻抗由 决定，呈容性
放大器输出电阻由 和 决定，该值一般很大
放大器隔离度由 决定
极限工作频率受等效电路中的电容 = (
≈
分立低噪声放大器构成
电路组成：晶体管、偏置、输入匹配和输出负载四大部分
输入匹配网络
输出负载
偏置
晶体管 典型电路
低噪声放大器指标分析
F = 1+ (Vn + In RS )2
4kTRS B
对于高源阻抗， 是主要噪声源 对于低源阻抗， 是主要噪声源
系统最小噪声系数时，信号源阻抗满足：
2
R2 s ,opt
=
Vn
2
In
低噪声放大器指标分析
F = 1+ rbb' + 1 + gm RS ≈ 1+ rbb' + 1
放大器输出电阻由 决定，该值一般很大
放大器隔离度由 决定
Baidu Nhomakorabea
极限工作频率受等效电路中的电容 = (
≈
高频等效电路—场效应管
可变电阻区
共源放大器原理图
饱和区
可变电阻区特性 iD = β n [(vGS − VGS (th) )vDS ]
饱和区可等效为压控电流源
iD
=
1 2
βn (vGS
− VGS (th) )2
低噪声放大器指标分析
输出端信噪比：
( SNR ) o
=
Po No1 + No1
= 2 VRS
VS 2
+ (Vn + In RS )2
得到噪声系数：
F
=
( SNR )1 ( SNR )
o
= 1+ (Vn
)2
+ In RS
2
VRS
= 1+ (Vn + In RS )2
4kTRS B
噪声系数不仅与系统本身内部的噪声 和 有关，而 且与外部输入信号源内阻RS、温度T和系统带宽B有关
V（BR）CEO vCE
输入特性曲线iB=f(VBE,VCE)
输出特性曲线ic=f(iB,VCE)
BJT混合π 型等效电路
当 等效电路代替
，晶体管可以用其
电路中的所有参数均与工作点Q有关 该电路是交流小信号等效电路
BJT小信号等效电路特性
c
e
晶体管的放大特性主要由压控电流源 决定， = 放大器的输入阻抗由 ( 和 ( 决定
射频通信电路 低噪声放大器
低噪声放大器在接收机中的位置
RF
Mixer
VGA
IF
LNA
Band Select Filter
Image Rejection
Filter
LO Channel Select Filter
"I"
LO LO +900
"Q"
ADC &
DSP
Baseband Filter
低噪声放大器一般位于射频接收机的最前端
把晶体管视为一个 双端口黑盒子，分 析其端口参数，适 用于特定频率、线 性参数,如S参数
应用不同的模型，分析设计低噪放的方法不同
低噪声放大器指标
Adobe Acrobat 文档
低噪声放大器指标分析
1.低功耗：移动通信的必然要求 低电源电压、低静态电流
2.工作频率：取决于晶体管的特征频率
fT
=
gm
低噪声放大器特点
位于接收机的最前端：噪声越小越好，且 要有适当的稳定的增益
接收的信号很微弱且变化：小信号线性放 大器，线性动态范围大，增益可调
通过传输线直接和天线或天线滤波器相连 ：良好的匹配
能抑制带外和镜象频率干扰：选频功能
低噪声放大器设计模型
设计模型
物理模型
网络模型
模型中的每个参数 均对应一定的物理 意义，适用的频率 范围较宽，如晶体 管π型等效电路
LNA片外应用电路设计时，一般采用S参数设 计LC网络匹配至最小噪声系数或者最大功率传 输
低噪声放大器指标分析
6.线性指标
一般用1dB压缩点或者IP3描述 放大器的线性范围和器件、电路结构和输入阻
抗网络等有关
7.隔离度和稳定性
放大器信号正向传输用增益描述
LNA
放大器信号反向传输用反向隔离度描述