第5章 低噪声放大器

3） 有源偏置电路
有源偏置电路具有相 当出色的温度稳定性，但 同时也带来了元件数目增 多，电路结构复杂等缺点。 在放大器的温度稳定性要 求比较高的时候，可以考 虑采用这种偏置电路。
有源偏置电路
3）传输线偏置电路
传输线偏置电路 传输线偏置法可以抑制偶次谐波，并且还可以 改善放大器的稳定性。
固定基流偏置电路
（5）自动增益控制
根据接收信号的强弱自动控制增益 信号弱，增益大 信号强，增益小，以防后级非线性失真
（6）输入阻抗匹配
放大器与输入源的匹配 最大功率传输——共轭匹配 噪声系数最小——噪声匹配
匹配方式
a.共源组态 输入阻抗很 大并联电阻 等于信号源 内阻
b. 共栅组态
c.电阻 负反馈 改变输 入阻抗
iD n (vGS VGS (th ) ) 电导值为 g vDS
② 此电阻受栅源电压 vGS 的控制（可变电阻）
饱和区
条件： vGS VGS (th ) 伏安特性：
vDS vGS VGS (th )
1 iD n (vGS VGS ( th ) ) 2 2
1.双极型晶体管共射小信号等效电路
共射放大器原理图 基极偏置VBEQ 决定基极偏置电流 IBQ 集电极电源 VCC 负载电阻 RL 基极电流与偏置 电压关系图 共同决定工作点Q
输入信号为 vs ,
vBE VBEQ vs
q vBE kT
输出电流公式 iC I S e
I CQ e
q vs kT
第五章 低噪声放大器
通信与信息工程学院
本章主要内容
低噪声放大器概述 低噪声放大器的性能指标 晶体管高频等效电路 低噪声放大器设计 低噪声放大器实例
本章学习重点和难点
低噪声放大器是接收机的关键组成部分， 在整个通信系统的射频前端设计中占据重要 地位。 本章重点讲解低噪声放大器的性能指标、 基本结构和基本设计方法。低噪放的基本设 计原理是本章的难点。
Cb 为基区扩散电容
5） C
C 0 VBC 1 0
n
反偏集电结电容
6） 7）
C cs 集电结与衬底间的势垒电容
rbb ' 、ree 、 rcc 为各极的体电阻
大倍数下降为 1 时的频率
8） 特征频率 f T 定义为共射输出短路电流放
gm gm fT 2 (C C ) 2 C
常用的匹配电路类型 1）L型匹配电路
L型匹配电路是最简单的匹配电路类型，但其Q值 固定，且存在匹配禁区。
2）T形或 形匹配电路
三元件和多元件匹配网络的特点 a．适合几乎所有的匹配条件。 b．由于增加了元件，使匹配网络有很好的调谐性能。 c．可调整匹配网络节点的品质因数Q。
3）传输线匹配电路
二、低噪声放大器在通信射频前端的位置 例：单次变频超外差式接收机
由于天线接收输入信号通常很小,需要对其 进行放大，但为了尽可能地少的引入电路内部 噪声，故采用低噪声放大器对天线接收的微弱 信号进行放大。
三、低噪声放大器的主要特点 ⑴ LNA靠近接收机的最前端，要求它的噪 声系数越小越好。 小信号线性放大器 ⑵ LNA接收信号很微弱
§ 5.1 低噪声放大器概述
一、低噪声放大器简介
低噪声放大器（low-noise amplifier，简称LNA） 是射频接收机前端的主要部分。要求具有最小的噪声 系数、较大的增益、足够的动态范围、输入端良好匹 配和一定的频带选择等性能。 低噪声放大器主要工作在A类。在进行小信号放大 时，基本可以做到线性放大，故经过放大后的信号线 性失真很小。
二、场效应管小信号模型
根据场效应管漏源电压 vDS 的大小，可以分为可 变电阻区和饱和工作区。
可变电阻区特性（ vDS 很小）
条件： vGS VGS (th )
vDS vGS VGS (th )
iD n [(vGS VGS ( th ) )vDS ]
理解： ① iD 和 vDS 成线性关系
（8）隔离度和稳定性
增大低噪声放大器的反向隔离可以减少本振信号 从混频器向天线泄露程度，以增强放大器的稳定性。 引起反向传输的原因在于晶体管的集电极和基极 间的级间电容 Cbc 以及电路中寄生参数的影响，它 们也是造成放大器不稳定的原因。 通常采用中和电容法及晶体管共射共基（或共 源共栅）结构提高稳定性。
gm gm fT 2 (c c ) 2 C
与工作点有关
取决于半导体工艺
（3）噪声系数 线性网络：
(Vn I n RS ) 2 F 1 4kTBRS
双极晶体管
rbb ' g m RS rbb ' 1 1 F 1 1 Rs 2 g m RS Rs 2 g m RS 2
基极分压射极偏置电路
传输线偏置电路
2. 阻抗匹配/转换电路设计 阻抗匹配/转换电源自文库设计取决与放大器要求的增 益、噪声系数、功率、效率和调失真比等指标。 LNA阻抗匹配/转换电路设计步骤 1）确定要求的最小噪声源阻抗 2）将最小噪声源阻抗匹配到输入信号源阻抗 （输入阻抗匹配网络） 3）确定放大器输出阻抗 4）匹配输出阻抗到负载阻抗（输出匹配网络）
工作点Q
BJT的I-V曲线
kT 26mV 时 当 Vsm VT ， VT q
晶体管可用如下图所示的等效电路代替
混合 型等效电路
注意两点 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 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
噪声系数NF 增益Gain IIP3 Input VSWR Output VSWR 隔 离
从表中可以看出，低噪声放大器的主要指标为： 噪声系数 增益 输入输出的隔离 线性范围 输入输出阻抗的匹配 功耗
以上各项指标并不独立，是相互关联的，在 设计中如何折中，兼须各项在指标，是设计的 重点也是难点。
（1）低功耗——移动通信的必然要求 低电源电压 小的静态电流——跨导 g m 小 （2）工作频率——取决于晶体管的特征频率 f T
2） GaAs 工艺 GaAs 是一种化合半导体材料，性能未定， 工艺成熟，它的最高频率可达到 50-100GHz。 3） CMOS 工艺 CMOS器件噪声低，线性度好，可将通信系统 的射频和几道数字电路集成在一块芯片上，是移 动通信集成电路的发展方向。
二、晶体管高频等效模型 在利用晶体管进行放大器、振荡器混频器 等单元基础电路设计时，都需要晶体管的电路 模型作为指导，因此理解晶体管的高效等效模 型是很重要的。 由于晶体管有三极管和场效应管两类，而 它们各自的工作机理不相同，故它们的模型也 不一样。
1） 固定基流偏置电路
固定基流偏置电路电路 结构比较简单，但当温度、 电源电压变化或更换参数不 同的BJT时，直流工作点Q （ IC 、 VCE ）会明显变化。
固定基流偏置电路
工作点电流电压的改变会使BJT小信号参数改变，从 而使放大器的性能指标不稳定，甚至振荡。
2）基极分压射极偏置电路
基极分压射极偏置电路 是一种可以稳定工作的电路 结构。电路中利用电阻 RE 引入电流采样电压求和式的 负反馈，当某种原因（如温 度升高，电源电压增加或更 基极分压射极偏置电路 换更大 的BJT）使得工作 点的 I C 增加时，则电路中直流负反馈作用可以抑制 I C 的增加，使得放大器的静态工作点相当稳定。
Cds 0.12 pF
场效应管的单位电流增益频率为
gm gm fT 2 (Cgs Cgd ) 2 Cgs
§ 5.4 低噪声放大器设计
一、低噪声放大器基本电路
放大器的结构框图 如上图所示，放大器电路包括： 1.直流（电压/电流）偏置电路 2.阻抗匹配/转换电路 3.控制和保护电路（按需要）
线性动态范围大 增益自动控制
⑶ 低噪声放大器的输入端必须与前接的天线 滤波器或天线匹配。 ⑷ 低噪声放大器应具有一定的选频能力，因 此它一般是频带放大器。
§ 5.2 低噪声放大器的性能指标 例：0.5um GaAs FET 和 0.8um Si Bipolar 工 艺的低噪声放大器指标。
指标 电 源 电 压 电 源 电 流 频 率 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
二、低噪放设计的基本任务
1. 确定直流工作点Q，设计直流偏置电路。 2. 确定Q点下有源器件特性(稳定性、增益、噪 声系数、功率、效率、交调失真比等)。 3. 设计阻抗匹配/转换电路，实现要求的放大器 性能。 4. 设计控制和保护电路（按需要）。
三、放大器各部分电路设计 1. 直流（电压/电流）偏置电路设计 直流偏置电路的功能是为有源器件提供选择的工 作点，其本质是一个低通滤波器，起到通直流，隔 交流的作用。 直流偏置电路有两种类型，一种是无源偏置，另 一种为有源偏置。无源偏置又分为固定基流偏置、 基极分压射极偏置和传输线偏置三种形式。
iD n (vGS VGS (th ) ) 2 n I DQ 转移跨导： g m vDS
可见，小信号跨导与偏置电流 I DQ 的平方根成反比。 恒流区场效应管等效为一个理想的电压控制电流源。
场效应管高频小信号模型
等效电路中包含3个极间电容：
C gs ---栅极与源区电容
Cds ---栅极与漏区电容
Cgd ---漏极与源极电容
rG 、 rS 、 rD 分别为各极的欧姆电阻，rds 是漏源电 阻， R 是串联栅极电阻 i
对于GaAs FET ，这些参数的典型值为
Ri 7
rds 400
g m 40mS C gd 0.01 pF
C gs 0.3 pF
§ 5.3 晶体管高频等效电路
一、射频集成电路工艺 现代移动通信的发展要求低成本，低功耗， 高集成的集成电路，为了实现射频集成，选择 合适的工艺技术很重要。 目前常用的射频集成电路工艺有：双极 （bipolar）、 GaAs 和 CMOS 工艺。
1）双极工艺：纯双极（pure bipolar）--BJT,
传输线匹配网络具有良好的通用性，它可在任意 输入阻抗和实部不为零的负载阻抗之间形成匹配，此 匹配电路特别适用于GHz以上的射频电路，由于节约 元器件，故能减小成本。
BiCMOS 和 SiGe HBT（异质结双极管）与 CMOS 相 比，双极晶体管有两个优点： ① 相同的偏置电流下，跨导大，可使放大器在较小 的功耗下获得大增益。 ② 有较高的增益带宽积，可以提高放大器在较小的 功耗下获得大增益。
工艺技术 Bipolar BiCMOS SiGe HBT 截止频率 fT (GHZ) 25 – 50 10 – 20 40 - 80
电路中各元件的物理意义
vBE 1） r iB

Q

gm
为输出交流短路时的输入电阻
iC 2） g m vBE

Q
I CQ VT
为正向传输跨导
vCE 3） r0 iC
Q
VA 为输入交流短路下的输出阻抗 I CQ
4） C C je Cb
C je 为正偏发射结电容
d.电感 负反馈 改变输 入阻抗
1 输入阻抗 gm
改变 g m 达 匹配
（7）线性范围
衡量指标：三阶互调截点IIP3、增益1dB压缩点 讨论放大器的线性范围时应注意的三个问题： 1）线性范围和器件有关，场效应管由于是平方率特 性，因此它的线性要比双极型好。 2）线性范围和电路结构有关。 3）输入端的阻抗匹配网络也会影响LNA的线性范围。
场效应管 分析：
1 1 F 1 RS g m
①放大器的噪声与工作点有关—— g m ②双极晶体管放大器的噪声与基区体电阻 rb b ` 有关 ③放大器噪声系数与信号源内阻有关
（4） 增益
增益要适中 增益大——可降低后级对系统噪声系数的影响 增益大——后级易产生非线性失真 增益取决于 跨导 g m ——由工作点决定 负载 LNA的负载形式 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