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第1节低噪声放大器指标

低噪声放大器

低噪声放大器（LNA）是射频接收机前端的主要部分。

它主要有四个特点。

1）它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，这要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不能过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。

2）它所接收的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接收信号的同时又可能伴随着很多强信号的干扰，因此要求放大器有足够大的线性范围，而且增益最好是可以调节的。

3）低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线的滤波器相连，放大器的输入端必须和它们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并能保证滤波器的性能。

4）低噪声放大器应该具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频带放大器。

低噪声放大器的所有指标都是互相牵连的，甚至是相互矛盾的。这些指标不仅取决于电路的结构，对集成电路来说，还取决于工艺技术。在设计中如何采用折衷的原则，兼顾各项指标，是很重要的。

1）低功耗

LNA是小信号放大器，必须给它设置一个静态偏置。而降低功耗的根本办法是采用低电源电压、低偏置电流，但伴随的结果是晶体管的跨导减小，从而引起晶体管及放大器的一系列指标的变化。

2）工作频率

放大器所能允许的工作频率和晶体管的特征频率Ft有关。减小偏置电流的结果会使晶体管的特征频率降低。在集成电路中，增大晶体管的面积会使极间电容增加，这也降低了特征频率。

3）噪声系数

任何一个线性网络的噪声系数可以表示为：

（4.1）

式中和是网络的输入端的等效噪声电压源和等效噪声电流源。

对于共射组态的单管双极型晶体管放大器的噪声系数又可以表示为：

（4.2）对于单管共源MOS场效应管放大器，当仅考虑沟道噪声时，场效应管放大器噪声系数为：

（4.3）由此可见两点：

a. 放大器的噪声系数和工作点有关，为了降低功耗而采用小电流偏置，结果是增大了噪声系数。

b. 晶体管放大器的噪声与基区体电阻有关，为了降低噪声，在集成电路设计时，可以用增大晶体管的面积来减小基区体电阻，但增大面积会

加大极间电容。

4）增益

低噪声放大器的增益要适中。过大会使下级混频器的输入太大，产生失真。但为了抑制后面各级的噪声对系统的影响，其增益又不能太小。

放大器的增益首先与管子跨导相关。其次放大器的增益还与负载有关。低噪声放大器是频带放大器，它的选频功能由其负载决定。

5）增益控制

低噪声放大器的增益最好是可以控制的。在通信电路中，控制增益的方法一般有如下几种：改变放大器的工作点，改变放大器的负反馈量，改变放大器的谐振回路的Q值等。这些改变都是可以通过载波电平检测电路产生自动增益控制电压来实现的。

6）输入阻抗匹配

低噪声放大器与其信号源的匹配时很重要的。放大器与源的匹配有两种方式：一是以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配；二是以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配。一般来说，现在多采用后一种匹配方法。

匹配网络可以是纯电阻网络，也可以采用电抗网络。电阻网络适合于宽带放大，但它们要消耗功率，并增加噪声。采用无损耗的电抗匹配网络不会增加噪声，但只适合窄带放大。

7）线性范围

线性范围主要由三阶互调截点IIP3和1dB压缩点来度量。放大器的线性范围和器件、电路结构以及输入端的阻抗匹配网络都有关系。

8）隔离度和稳定度

增大低噪声放大器的反向隔离度可以减小本振信号从混频器向天线的泄漏程度。

引起反向传输的根本原因在于晶体管的集电极和基极间的极间电容以及电路中的寄生参数的影响，它们也是造成放大器不稳定的原因。

提高稳定性的有效措施有采用中和电容或者晶体管共发共基（或者共源共栅）结构。

第2节低噪声放大器的设计

低噪声放大器

无论采用Bipolar、Bi-CMOS或GaAs FET工艺技术设计低噪声放大器，其电路结构都是差不多的，都是由晶体管、偏置、输入匹配和负载四大部分组成。

下面将采用实际的例子来进行设计和分析。

例4.1 1.9GHz的CMOS低噪声放大器。

如下图4.1所示是1.9GH 0、6um工艺的CMOS低噪声放大器的电路原理图。

图4.1 1.9GH 0、6um工艺的CMOS低噪声放大器的电路原理图

这个电路的特点是：

a. 采用共源共栅级（cascode）电路。

b. 源极采用电感L2负反馈。

c. 负载L3与下级输入电容组成谐振回路。

d. 采用双端输入双端输出的差分形式。

下面我们将从偏置电路、输入阻抗匹配、噪声、增益和隔离度等几个方面来进行分析。

1）偏置电路（M4偏置图中省略）

M3和M1组成镜像电流源，M3的电流是由电源电压、电阻Rref以及M3的偏压Vgs共同决定。电阻Rbais选择得尽可能大，以使M3的噪声折合到LNA输入端的等效噪声电流源可以忽略。

2）输入阻抗匹配

输入阻抗为

（4.4）设输入信号角频率是，调谐输入回路使之在工作频率处串联谐振，即有

（4.5）

为与源阻抗匹配，令

（4.6）输入回路的Q值是

（4.7）3）噪声

当工作频率不是很高时，可以只考虑场效应管M1的沟道电阻噪声，即

（4.8）则噪声系数为

（4.

9）上式表明，增加输入回路的有载Qin可以改善噪声系数。这样就解决了低功耗和低噪声系数的矛盾。

4）增益

低噪声放大器的输出直接与混频器相连。低噪声放大器中的电感L3与混频器的输入电容及M2的输出电容组成并联谐振回路，调谐于输入信号频率,提高了LNA的增益。

由于采用谐振回路作为负载，因此它是窄带放大器，放大器的带宽取决于线圈L2和L3的Q值。5）线性

采用双端输入双端输出差分对结构，以电感L2作为共源放大器的源极负反馈阻抗，这些措施都扩大了放大器的线性范围。

差分结构的放大器提高了共模抑制比，可以抑制来自数字电路部分和其它的干扰噪声。

6）隔离度

下

放大器构成了共源共栅接连组态，这种组合形式提供了最佳的输出输入间的隔离度，减少了极间电容的影响。

第1节分数分频器技术探讨

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