《高频与射频电路》第3章 - 有源网络

低噪声放大器设计

低噪声放大器的主要技术指标： – 增益：放大器增益的大小取决于系统的要求，较大的 增益利于抑制后续电路的噪声对整个接收机系统的影 响，但是增益太大会导致后面的下变频器输入过载， 产生非线性失真。因此，低噪声放大器的增益应当适 中，一般在25dB以下。 – 输入/输出阻抗匹配：输出匹配通常采用共轭匹配方式 ，以实现最大功率传输。输入匹配电路一般有两种， 一为实现噪声系数最小的噪声匹配，二是实现最大功 率增益和最小回波损耗为目的共轭匹配。 – 反向隔离度：反向隔离反应了低噪声放大器输出端与 输入端的隔离度，良好的反向隔离可以减少本振信号 到天线的泄露。

其一般形式：
gi 1 Gi
2 2
1 Gi Sii
1 S
2 ii
i S, L
ii 11， 22
分别对应输入增益和输出增益
等增益圆
Γ的求解结果是一族圆： G
其中圆心坐标：d g i
1 S ii
2
R i R d gi
G
2
I i
I d gi

i
2

对于窄带放大电路，应该尽量避免依靠在输入或 输出电路增加电阻的方法，而应该尽可能的调节 电源和负载的反射系数使得放大电路处于稳定状 态。
放大电路的增益
GS Z0 VG
+
GIN
GOUT GL
输入匹配 网络
射频晶体管 放大电路[S]
输出匹配 网络
ZL
转换功率增益： 工作功率增益： 资用功率增益：
PL 负载吸收的功率 GT PAVS 信号源的可用功率 PL 负载吸收的功率 GP G PIN 输入到网络的功率 GA PAVN 网络的可用功率 PAVS 信号源的可用功率
2
等增益圆
上式中：
GS max 1 1 S11 ， GL max 2 1 1 S 22
2
2
归一化增益：
gS
GS 2 1 S11 GS m ax 1 GS S11 2 1 GL
2
1 GS


gL
GL 2 1 S 22 GL m ax 1 GL S 22 2
add
射频输出功率 射频输入功率 直流输入功率
射频放大电路
射频放大电路



射频放大器的相关理论 低噪声放大器设计 功率放大器设计
放大电路稳定性分析
GS Z0 VG
+
GIN
GOUT GL
输入匹配 网络
射频晶体管 放大电路[S]
输出匹配 网络
ZL
GS
GIN
GOUT
GL
VG ZG
+
晶体管 放大电路 [S] ZIN ZOUT
ZL
放大电路稳定性分析
IB
I1
VCC R1 CC RFC RFout
R2 IC RFC CB RFin
R4 R2 VX IX R3 R1 IB IC
VCC CC RFC RFout
RFC CB RFin
无源偏置网络
16
射频放大器偏臵电路
已知 VCE=3V, IC=10mA, VCC=5V, VBE=0.8V, β=100, 求无源偏置网络阻值. 解：上图 I1=IC+IB=10+10/100=10.1mA 则：R1=(VCC–VCE)/I1=198Ω R2=(VCE–VBE)/IB=22kΩ 下图，先任选VX=1.5V (VBE＜VX＜VCC) 则：R3=(VX–VBE)/IB=7kΩ R1=VX/IX=VX/10IB=1.5kΩ R2=(VCC–VX)/(IX+IB)=3.18kΩ R4=(VCC–VCE)/IC=200Ω
低噪声放大器基本电路

常见的LNA电路配臵 – 对场效应管而言，电路配臵可以分为共源、共栅、共 漏和共源-共栅（cascode）四种基本类型；相应地，对 双极型晶体管而言，电路配臵又可以分为共射、共基 、共集和共射-共基（cascode）四种基本类型。
FET和BJT的基本电路配置
低噪声放大器的设计步骤
GS Gopt N 1 N N 1 Gopt N 1
4rn
等噪声系数圆

2

注意单位
其中噪声参数 N F Fmin 1 Gopt
噪声系数和等噪声系数圆


射频晶体管的噪声参数主要包括 、 和 ， 这些参数一般由生产厂家提供，设计时可以直接 使用。 在Smith圆图上可以看出，等功率增益圆和等噪 声系数圆是不重合的，在两个圆族中，从小圆到 大圆变化时，噪声系数逐渐增大，功率增益逐渐 减少。不可能同时实现最小噪声系数和最大功率 增益，因此在实际电路设计中，只能选择等噪声 系数和等功率增益圆的较差区域，进行噪声和功 率的折中设计。
射频放大器偏臵电路


常用的双极性晶体管无源偏臵电路 有右边这两种。偏臵电路中的射频 线圈RFC和电容CB是用来隔离射频 信号，电容CC是用来耦合射频输入 和输出信号。 上图中的R1和R2构成了直流偏臵电 阻网络，并形成并联直流电压负反 馈；下图中的R1到R4组成了直流偏 臵网络，采用直流分流的方式为晶 体管提供基极电流IB。
低噪声放大器基本电路

低噪声放大器基本电路框图如图所示，主要包括偏臵电 路、输入/输出匹配电路和控制保护电路三部分。
–
–
–
直流（电压/电流）偏臵电路：给放大器提供需要的直流电压或电 流； 阻抗匹配/转换电路：为了实现最大增益、最小噪声系数或最大功 率传输，放大器相应有增益、噪声和功率匹配网络。 控制和保护电路：控制电路通常由开关、衰减器、移相器和限幅 器等器件构成，它的主要作用是提高放大器线性度和控制增益。
CB
VG VD
CB
RFC RFin
RFC RFout
低噪声放大器设计


低噪声放大器（low-noise amplifier，LNA）是射频接收机 前端的重要组成部分。通常低噪声放大器位于接收机的 最前端，它对微弱的接收信号进行放大并尽可能少地引 入本地噪声。 低噪声放大器的主要技术指标： – 工作频率：放大器能够工作的频率取决于晶体管的特 征频率 f T，常选择 f T 是工作频率的5～10倍。 – 噪声系数：噪声系数在不同的应用场合有不同的要求 ，它的值可以从1dB到几个dB。噪声系数与放大器所 选用的晶体管噪声特性、静态工作点、输入/输出匹配 特性、工作频率和工艺有关，是低噪声放大器最为重 要的指标。
VX IX R2 R3 R1 IB IB I1 R2 IC RFC CB RFin
VCC R1 CC RFC RFout
R4 IC
VCC CC RFC RFout
RFC CB RFin
无源偏置网络
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射频放大器偏臵电路

场效应晶体管的偏臵网络
–
与双极结晶体管偏臵网络基本相同，主要缺点是 需要两个极性不同的电源。
rg2i
g i S ii
1 g i
r 半径：g
1 g i 1 Sii 1 Sii
2

2
1 gi

结论： 1. 在Γ = Sii 时, gi = 1, d = Sii , r = 0, 可得最 大增益Gimax。 2. 所有等增益圆的圆心都落在原点(gi=0)到 Sii 的连线上。增益越小，则圆心越靠近原 点，同时半径越大。 3. 当Γ= 0时，gi=1- Sii ，d = r = Sii /(1+ Sii )。 即Gi=1(0dB)圆总是与Γ平面的原点相切。

通常有两种方法可以采用：
–
在输入或输出回路中增加纯电阻（由于放大电路 存在功率增益，为了不增大电路的噪声系数，通 常电阻都加在输出电路中）
T R T R
T R
T
R
–
在放大电路中引入负反馈，减少S12形成的正反馈 ，降低输入和输出电路中的电压反射系数。
放大器的稳定措施

缺点：
– – –
降低放大电路功率增益 增加放大电路噪声 减少可用输出功率
功率放大器的应用
电脑无线上网
功率放大器的主要技术指标

功率效率
功率放大器的功率效率0 是功率放大器的射频输出功率与供给晶体管 的直流功率之比。
P
射频输出功率 直流输入功率
对于双极晶体管情况，P 称为集电极效率，对于 MOSFET，称之为漏极 效率。 考虑到放大器的功率增益，又给出另一种定义：
G IN 1 或 GOUT 1
的情况，说明放大器电路出现负电阻。可以调节 信号源内阻Zs和负载阻抗ZL，使得放大电路回到 稳定状态。此时需要输入回路总电阻和输出回路 总电阻均为正值：
Re Z S Z IN 0 Re Z L Z OUT 0
放大器的稳定措施



依据应用要求（噪声，频率，带宽，增益，功耗 等）选择合适的晶体管或工艺。 确定LNA电路拓扑。 确定放大器的直流工作点和设计偏臵电路。 确定最小噪声输入阻抗，将最小噪声输入阻抗匹 配到信号源阻抗，即输入匹配网络设计。 确定放大器输出阻抗，将放大器输出阻抗匹配到 负载阻抗，即输出匹配网络设计。 低噪放性能仿真和优化。 电路制作和性能调试。
S12 S21G L Gin S11 1 S G 22 L 其中， G S S12 S21G S 22 out 1 S11G S
GA
放大电路的增益

单向传输情况：由S12 ≈ 0可得 进一步得到 G
2 2 2 T
G IN S11 G OUT S 22
功率放大器


射频功率放大器的工作频率很高（从几十兆赫兹 一直到几百兆赫兹，甚至到几吉赫兹），按工作 频带分类，可以分为窄带射频功率放大器和宽带 射频功率放大器。 窄带射频功率放大器的频带相对较窄，一般都采 用选频网络作为负载回路，例如LC谐振回路。 宽带射频功率放大器不采用选频网络作为负载回 路，而是以频率响应很宽的传输线作为负载。这 样它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必 重新调谐。
G IN 1 GOUT 1
对于任何
GS 1 GL 1

G IN 1 GOUT 1

对于一定范围内的G S 和G L
绝对稳定的充要条件
S11 S22 S12 S 21 K 1 S11 S22
功率放大器的应用
高保真音响系统
功率放大器的应用
电视、汽车音响等
功率放大器的应用
发射无线电广播电信号 信号频率在几十兆到几百兆赫兹
功率放大器的应用
发射电视信号
功率放大器的应用
对讲机、无绳电话
功率放大器的应用
蓝牙耳机 信号频率在2～4G赫兹，属于射频范围
功率放大器的应用
功率放大器的应用
无线通信基站
2 2 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 S12 S21
1 K 1
放大电路稳定性分析


对于单向传输的晶体管(S12 ≈ 0)，一定有K∞， 且当|S11| < 1， |S22| < 1时，满足|△| < 1的条件， 因此晶体管构成的放大器一定是无条件稳定的。 当放大器电路不满足稳定性条件时，出现
GS GIN GOUT GL
VG ZG
+
晶体管 放大电路 [S] ZIN ZOUT
ZL
Re Z IN 0 Re Z OUT 0
G IN 1 GOUT 1
G
V V


Z Z0 Z Z0
放大电路稳定性分析

绝对稳定：
有条件稳定
2

(1 GS ) S21 (1 G L ) 1 S11GS 1 S22 G L
2

要使晶体管获得最大转换功率增益，要满足
* G S S11 * G L S 22
此时有
GT max GS max GO GL max
1 1 S11
2
S21
2
1 1 S22
噪声系数和等噪声系数圆
PNO T 噪声系数的定义： F PNO I
可以证明：
PSI SNR IN PNO T PNI PSO G A PNI SNR OUT PNOT
F Fmin
rn YS Yopt gS
2
等增益圆
噪声系数只与输入端有关， 而与负载无关。在Smith 圆图上可以画出等噪声系 数圆：
放大电路的增益
GT (1 GS ) S21 (1 G L )
2 2 2
1 GS Gin 1 S22 G L
2
2
GP
(1 G L ) S21
2 2
2 2
(1 G in ) 1 S22 G L
S 21 (1 GS )
2 2 2 1 S11GS (1 G out ) 2