第五章低噪放1

5.4 S 参数（散射参数）
S 参数的特点： ①适于射频频段的电路设计 ②线性网络的端口参数， 无需知道网络的内部结构 ③基于端口的入射波和反射波之间关系的参数 ④不同的频率、不同的工作条件数值不同 5.4.1 单端口网络 电源 V s ，内阻 Z 0，接负载 Z L 负载 Z L可视为单端口网络
② 共栅(基)组态---输入阻抗 ≈ 1 g m ，改变偏置即可实现匹配
③ 电阻负反馈---控制输入阻抗，适用带宽匹配，但功耗大
④源（射）极电感负反馈---电感与晶体管输入电容谐振 实现匹配，带宽窄，噪声性能好 （7）线性范围 衡量指标：三阶互调截点IIP3、1dB压缩点 影响放大器线性范围的因素： ①器件本身线性特性---场效应管线性比双极晶体管好 ②电路结构特征---差分放大结构比单管放大器线性好 ③输入端的阻抗匹配网络会影响放大器线性范围
本章内容
1. 低噪声放大器的性能指标 2. 低噪声放大器的分析与设计 晶体管小信号模型 ①物理等效电路模型---混合π模型 ② 网络参数模型---S参数模型 低噪声放大器设计方法 ①利用小信号等效电路模型设计低噪放（典型电路） ②利用S参数设计低噪放
5.1 低噪声放大器指标
低噪声放大器指标示例
指标 电源电压 电源电流 工作频率 噪声系数NF 增益 IIP3 Input VSWR Output VSWR 隔离度 0.5μm GaAs FET 3.0V 4.0mA 1.9GHZ 2.8dB 18.1dB -11.1dBm 1.5 3.1 21dB 0.8μm Si Bipolar 1.9V 2.0mA 1.9GHZ 2.8dB 9.5dB -3dBm 1.2 1.4 21dB
输出特性曲线
qvBE kT
qvS kT
混合
π
型等效电路
强调两点： ①电路中的所有参数均与工作点Q有关 ②该电路是交流小信号等效电路---线性模型 从两个层面上理解等效电路： ①理解电路中各元件的物理意义（见教材） ②理解晶体管作为放大器的特性
晶体管作为放大器的特性： ① 一个电压控制的电流源 ② 输入阻抗---电阻
端口实际电压视为入射电压 Vi 与反射电压 Vr 之和，即：
V = Vi + Vr I = Ii − I r
端口实际电压视为入射电压 I i 与反射电压 I r 之和，即：
Fra Baidu bibliotek
反射电压与入射电压的关系：
∗ Z0 ⎛ Z L − Z0 ⎞ Vr = V − Vi = ∗ ⎜ ⎜ Z + Z ⎟Vi = SVi ⎟ Z0 ⎝ L 0 ⎠
（4）增益 增益适中： ①降低后级模块噪声对系统的影响---增益要大 ②保证后级混频器非线性失真小---增益不能太大 ①跨导 g m ---决定于静态工作点 增益正比： ②负载，一般 50Ω ---单级放大增益不会太高 ① 负载形式： LC谐振回路---谐振阻抗 ②集中参数滤波器（ 50Ω ）---阻抗要匹配 （5）增益控制 通过检测接收信号电平自动改变增益，信号强减小增益 信号弱增益变大 方法：①自适应改变工作点 ②自适应改变负反馈量
第五章
低噪声放大器（LNA）
低噪声放大器（LNA）的特点 （1）位于接收机的前端---噪声系数和增益对接收机性能影响大 ①噪声系数越小越好---提高信噪比 ②有适当的增益 抑制后级混频器噪声---增益越大越好 不使混频器过载出现---增益不宜过大 （2）接收的信号很微弱且是变化的 ①小信号线性放大器 ①保证最大传输功率 ②线性动态范围大 ③自动增益控制 ②保证最小噪声系数 （3）输入输出匹配---前接天线或频带选择滤波器 （4）频带放大器---频带选择，抑制带外干扰和镜频干扰
V1r S12 = V2i
端口1匹配时，输出端向输入端的反向传输系数
V1i = 0
强调：S 参数是在端口匹配状态下测得的网络参数
端口失配时的反射系数： V1i
Z0
Z0
V1r
在输出端口（输入端口类似）： V2i ---对网络是入射波，对负载 ZL 是反射波
V2 r ---对网络是反射波，对负载 ZL 是入射波
5.4.2 双端口网络S参数 1. 双端口网络S参数定义
端口1 入射波
正向传输
端口2 入射波
{
S 参数方程：
V1r = S11V1i + S12V2i
V2 r = S 21V1i + S 22V2i
⎡V1r ⎤ ⎡ S11 ⎢V ⎥ = ⎢ S ⎣ 2 r ⎦ ⎣ 21
方程的含义： 反射电压
S12 ⎤ ⎡V1i ⎤ S 22 ⎥ ⎢V2i ⎥ ⎦⎣ ⎦
伏安特性： iD = 饱和区特性： ① iD ～ vGS 成平方律关系 ② 转移跨导（ vGS 对
gm = ∂iD ∂v GS
Q
1 β n (vGS − VGS ( th ) ) 2 2
iD 的控制能力）
= β n (VGSQ − VGS ( th ) ) = 2 β n I DQ
小信号跨导与管子特性及偏置电流有关
V1r S11 = V1i
当 V2i = 0 端口1的反射波电压与入射波电压之比 时， 端口1的反射系数 V 2 i= = 0 0 端口2匹配
2i
V2 r S 22 = V2i
V2 r S 21 = V1i
端口1匹配时，端口2的反射系数
V1i = 0
端口2匹配时，输入端向输出端的正向传输系数
V2 i = 0
描述晶体管的两种模型 1）物理模型---小信号等效电路模型 典型模型---混合 π 型等效电路 特点：①模型中的每个参数都具有一定的物理意义 ②适用的频率范围较宽 2）网络模型 典型模型---S参数 特点：①把器件视为一个黑盒子，用端口参数描述器件特性 ②特定频率下的线性参数，实用于射频 LNA设计方法： ①小信号等效电路模型设计低噪放---重点 ②S参数法设计低噪放---严格的设计方法
ic = g m vb′e ---正向传输
rπ (rb′e )和电容 Cπ (Cb′e ) ---不是纯电阻
③ 放大器输出阻抗 --④ 反向传输电容 Cμ
ro 很大
引起放大器不稳定因素 ⑤ 极限工作频率 f T 受等效电路中的电容制约
gm gm fT = ≈ 2π (cπ + cμ ) 2πCπ
5.2.2
共源场效应管放大器噪声系数：
可见：
1 1 F = 1+ γ RS gm
工艺系数
①放大器的噪声系数与 g m 有关 增大 g m 降低噪声---提高静态偏置---与低功耗矛盾 ②双极晶体管放大器的噪声与基区体电阻 rbb ' 有关， 减小 rbb ' 降低噪声--增大基区面积--电容C π 变大--降低 fT
（6）输入阻抗匹配 放大器与信源匹配方式：①噪声系数最小---噪声匹配 ②功率传输最大---共轭匹配 ①纯电阻网络---适用于宽带放大，但功耗和噪声大 匹配网络： ②纯电抗网络---宽窄带均适用，不增加噪声、功耗小 匹配形式： ① 共源(射)组态---输入电阻很大 匹配简单，并联所需电阻即可，但噪声增大
反射波
反向传输
反射波
反射电压
{ V {
V1r
2r
端口1的入射波 V1i 在端口1的反射-------- S11 端口2的入射波 V2i经过网络的反向传输--- S12 端口2的入射波 V2i 在端口2的反射------- S 22 端口1的入射波 V1i 经过网络的正向传输-- S 21
S参数的定义：
∗ 一般电源内阻为纯电阻--- Z 0 = Z 0
Z L − Z 0 Vr S= = Z L + Z 0 Vi
反射系数 Γ 定义：网络端口入射电压与反射电压之比 单端口网络 Γ = Vr / Vi = S
1+ Γ 电压驻波比 VSWR 的定义： VSWR = 1− Γ
电压驻波比/反射系数---衡量信源与负载匹配状态的参数 通常
gm gm ---正比于跨导---静态偏置有关 fT = ≈ 2π (cπ + cμ ) 2πCπ
Cπ ~ Cb 'e = C je + Cb
Cμ ~ Cb 'c 反偏集电结电容
}
取决于半导体工艺
（3）噪声系数 共射双极晶体管放大器噪声系数：
rbb ' g m RS rbb ' 1 1 F = 1+ + + ≈ 1+ + Rs 2 g m RS Rs 2 g m RS 2β
（8）隔离度和稳定性 隔离度：减小反向传输、减小输出负载变化对输入端的影响 若输入/输出隔离好， 匹配网络可单独设计 稳定性： 正向传输---压控电流源
部分输 出电压
g m vb′e
反向传输---源于极间电容 Cμ (Cb′c ) 引起不稳定的因素 改善措施： ①外接反馈元件（中和电容） 抵消由 Cμ (Cb′c )引起的反向传输 ②采用共射共基（共源共栅）级联结构 前级输出阻抗与后级输入阻抗失配，达到隔离
复合管
5.2 晶体管高频等效电路
射频电路要求体积小、功耗低、集成度高 射频前端电路---低噪放、功放等集成困难---需选适当的工艺 射频集成电路主要工艺： ①砷化钾 GaAs 一种化合半导体材料，性能稳定，工艺成熟 频率达50~100GHz，超高速、低噪声方面发展迅速 ②双极（Bipolar） 晶体管跨导大，在较小的功耗下可获得高增益 有较大的增益带宽积 ③ CMOS 噪声低、线性好，可将射频和数字电路集成同一芯片 工作频率达3GHz以上
小信号等效电路 ①正向传输---电压控制的电流源
id = gmvCgs
② 输入阻抗 电阻 Ri 和电容 Cgs ---容性阻抗 ③ 输出阻抗 --- Rds 较大 ④ 反向传输电容 Cgd ---引起放大器不稳定 ⑤ 极限工作频率 f T ---受等效电路中的电容制约 gm gm fT = ≈ 2π (C gS + C gd ) 2πC gS
(
)
iD = β n (vGS − VGS ( th ) )vDS
特性：① iD 和 vDS 成线性关系 i g = D = β n ( vGS − VGS (th ) ) 输出电导 v DS ② 此电阻受栅源电压 vGS 的控制---可变电阻区
饱和区 条件： vGS > VGS(th)
vDS ≥ (vGS −VGS(th) )
单端口网络
Vs 实际电流： I = Z0 + Z L
端口电压： = IZ L = V
单端口网络
Vs ZL Z0 + Z L ∗ 当电源与负载共轭匹配 Z L = Z 0 Vs 定义 I i = ∗ ---入射波电流 Z0 + Z0 Vs ∗ ∗ Vi = I i Z 0 = Z 0 ---入射波电压 ∗ Z0 + Z0 当电源与负载失配时
场效应管小信号模型
两个工作区---可变电阻区/饱和区---依 v DS 大小划分 可变电阻区 条件 vGS > VGS(th) , vDS ≤ vGS −VGS(th)
过驱动电压
(
)
伏安特性： 1 2 ⎤ ⎡ iD = βn ⎢ vGS − VGS(th) vDS − vDS ⎥ 2 ⎦ ⎣ v DS 很小时 阈值电压 当
0 ≤ Γ ≤ 1， 1 ≤ VSWR ≤ ∞
单端口网络
Z L − Z0 由 Γ= Z L + Z0
1+ Γ VSWR = 1− Γ
①信源与负载匹配时( Z L = Z 0 ) ②信源与负载不匹配时
Γ = 0 , VSWR = 1
0 ≤ Γ < 1 , 1 < VSWR ≤ ∞
失配状态下功率传输有损耗---称为回波损耗 回波损耗： RL(dB ) = −20 log Γ
低噪声放大器指标及分析
（1）功耗---越低越好---满足移动通信要求 降低功耗的途径---降低晶体管静态直流偏置（低电压、小电流）
dic gm = dvbe
=
vbe =VBEQ
I CQ VT
静态偏置低---跨导 g m 减小---会改变其他指标，如增益等 （2）工作频率----取决于晶体管的特征频率 fT
定义四个反射系数 负载端 输出端 输入端 源端
V2i ΓL = V2 r
Γout
V2 r = V2i
V1r Γin = V1i
5.2.1 双极型晶体管共射小信号等效电路
以共射极三极管放大器为例： 静态工作点 Q ： 基极偏置电压 VBEQ 集电极电压 VCC 负载电阻 RL
}
决定 Q
输入信号为 v s --- v BE = VBEQ + v s
= I CQ e 集电极输出电流 iC = I S e kT 当 Vsm << VT ( VT = ≈ 26mV ) 时 q 晶体管工作于线性，可用等效电路代替