05低噪声放大器讲解

低噪声放大器的指标分析
低功耗
低电源电压 小的静态电流——跨导 g m 工作频率 ——取决于晶体管的特征频率 fT 与工作点有关 ——移动通信的必然要求
gm gm fT 2 (c c ) 2 C
取决于半导体工艺
噪声系数
线性网络：
(Vn I n RS ) 2 F 1 4kTBR S
分析这些指标，主要有： 低功耗 工作频率 噪声系数 增益
——采用低电源电压，低偏置电流
——与特征频率有关 ——用网络的等效噪声源方法进行分析 ——要适中 ——根据接收信号的强弱自动控制增益
增益控制
输入阻抗匹配 线性范围 隔离度与稳定性
——功率匹配，噪声匹配
——三阶互调截点、1dB压缩点 ——本振泄露
线和支撑媒质。这种电路 成本低，多数应用于3 GHz以下。 混合微波集成电路(HMIC)
单片微波集成电路(MMIC)
混合MIC由分布参数电路元件和集总电路元件混合而成。
混合MIC电路尺寸较PCB小，并可工作至毫米波频率。
MMIC中的所有有源和无源电路元件及其互连是在一块半导 体绝缘基片上形成的。目前生产 的MMIC多数工作于0.5～100 GHz的频段。单片集成技术特别适用于毫米波应用。MMIC 的 优点是成本低、尺寸小、可批量生产。
2、有较高的增益带宽积
双极型晶体管共射小信号等效电路
共射放大器原理图 负载电阻 RL 决定基极偏置电流 IBQ 共同决定工作点Q
基极偏置VBEQ
集电极电源 VCC
iB
VCC RL
I BQ
VBEQ
I CQ
I BQ
输入信号为 v s, vBE VBEQ vs
输出电流公式 iC I S e
q v BE kT
低噪声放大器的指标
低噪放（LNA）——高频、小信号、线性、选频放大 教材表5.5.1给出了两个不同工艺的低噪声放大器的指标。
0.5mm GaAs FET 电源电压(V) 电源电流(mA) 频率(GHz) 噪声系数NF(dB) 增益(dB) IIP3(dBm) Input VSWR Output VSWR 隔离(dB) 3.0 4.0 1.9 2.8 18.1 -11.1 1.5 3.1 21 0.8mm Si Bipolar 1.9 2.0 1.9 2.8 9.5 -3 1.2 1.4 21
三种双极工艺器件的截止频率：
工艺技术 Bipolar BiCMOS SiGe HBT 截止频率 (GHZ) 25 – 50 10 – 20 40 - 80
CMOS 噪声低、线性好、与数字集成电路兼容，
工作频率3GHz以上
双极晶体管较之CMOS晶体管的优点：
1、在相同的偏置电流下跨导大 由于跨导与偏置电流成正比，结果：在较小的功耗下可 获得大增益；提高工作频率（低于10GHz）
共源(共射)方式 输入阻抗1/gm较小，改变偏置 就可以改变gm，达到匹配。 共栅(共基)方式
电阻串并联负反馈方式以达到阻抗
匹配的目的。适用于宽带放大，但
功耗大，且需要集成较多的电阻， 不适合CMOS技术。
电阻负反馈方式
源(射)极采用电感负反馈，与输 入电容调谐后实现匹配，适用于 窄带放大，有较好的噪声性能。 电感负反馈方式
ICQe
q vs kT
当 Vsm VT
VT
kT 26mV q
晶体管可用其等效电路代替
注意： 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 从两个层次上加强对等效电路的理解：
①理解电路中各元件的物理意义
②理解晶体管作为放大器的本质
晶体管作为放大器的本质 一个电压控制的电流源 ic gmvbe 放大器的输入阻抗，电阻和电容 放大器输出电阻 ro（很大） ——正向传输
线性范围
取决于 器件、电路结构、阻抗变换网络
隔离度与稳定性
正向传输——压控电流源 gmvbe 反向传输——极间电容 C (Cbc ) 引起不稳定的原因
中和法——用中和电容抵消 改进措施： 失配法——采用共射共基（共源共栅）组态 降低增益
(a)加中和电容
Cbe
输出点+
CN的一端接输出，一端接输入， 由它引入的反馈来抵消晶体管内 部反馈电容Cb’c引起的反馈。
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共射极单管双极型晶体管：
F 1 1 rbb g R 1 m S RS 2 g m RS 2 rbb 1 RS 2 g m RS
单管共源MOS管（若仅考虑沟道噪声）：
F 1 1 1 RS gm
增益
增益大 可降低后级对系统噪声系数的影响 后级易产生非线性失真 增益取决于
物理等效电路模型 模型中的每个参数均对应一定的物理意义，与工作点有关 适用的频率范围较宽，适用于交流小信号输入
网络参数模型
把晶体管视为一个双端口黑盒子，分析其端口参数 线性网络可以用端口参数来描述其特性，如H参数、Y参数等 适用于特定频率、线性参数，在射频与微波波段，多用S参数
根据制造工艺，RF/MW有源电路可以分为： 印刷电路(PCB) 在印刷电路中，元器件是被焊接到印刷板上，印刷板作为连
低噪声放大器
晶体管高频等效电路
LNA的性能指标
LNA的分析设计
低噪声放大器的特点
位于接收机的最前端
噪声越小越好，且要求有适当的稳定的增益
接收的信号很微弱且变化
属于小信号线性放大器，线性范围大，自动增益控制
与天线或滤波器相连接 要有良好的匹配特性
具有一定的选频功能 有效抑制带外干扰和镜像频率干扰
对晶体管的描述方法
跨导 g m ——由工作点决定 负载
LC谐振回路—— Q值、谐振阻抗 集中参数选频滤波器——注意阻抗匹配
增益控制 控制方法：放大器工作点、负反馈量、回路Q值
输入阻抗匹配
匹配方式：
类型：纯电阻 —— 宽带，有耗，噪声大
纯电抗 —— 窄带，无耗，噪声小
输入阻抗大，并联所需电阻即 可达到匹配。但会增加噪声。
(b)采用共发共基(共源共栅)结构 利用共基放大器输入电阻很小 的特点，作为共发放大器的负载 电阻，可以大大拓展共发放大器 的上限频率，同时又具备很好的 电流、电压增益。
输入
CN
输出点-
晶体管高频等效电路
射频集成电路主要工艺 砷化钾 GaAs （一种化合半导体材料）
具有最高的工作频率：50~100GHz；在超高速微电子学 和光电子学中应用广泛 双极 Bipolar 纯双极、BiCMOS和SiGeHBT（异质结）