1、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。,5.1 低噪声放大器概述,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。低噪声放大器工作在A类，其导通角为360度。在进
2、行小信号放大，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。,一、低噪声放大器简介,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。, LNA所接受的信号是很微弱的，故它是一个信号线性放大器。, 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。, 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。,三、低噪声放大器的主要特点, LNA靠近接收机的最前端，要求它的噪声系数越小越好。,5.2 低噪声放大器的性能指标,例：0.5um Ga
3、As FET 和 0.8um Si Bipolar 工艺的低噪声放大器指标。,从表中可以看出，低噪声放大器的主要指标为：,噪声系数,线性范围,增益,输入输出阻抗的匹配,输入输出的隔离,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,（2）工作频率取决于晶体管的特征频率,与工作点有关,取决于半导体工艺,低电源电压,小的静态电流跨导 小,（3）噪声系数,双极晶体管,线性网络：,场效应管,双极晶体管放大器的噪声与基区体电阻 有关,放大器的噪声与工作点有关,放大器噪声系数与信号源内阻有关,分析：,（4） 增益,增益要适
4、中,增益取决于,LNA的负载形式,（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,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,d.电感 负反馈 改变输 入阻抗,（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。,（8）隔
5、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 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。,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, BiCMOS
6、和 SiGe HBT（异质结双极管）与 CMOS 相比，双极晶体管有两个优点：, 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。, 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。,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
7、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。,共射放大器原理图,1.双极型晶体管共射小信号等效电路,基极电流与偏置电压关系图,输入信号为 ,输出电流公式,BJT的I-V曲线,工作点Q,当 ， 时,晶体管可用如下图所示的等效电路代替,混合 型等效电路,理解电路中各元件的物理意义,从两个层次上加强对等效电路的理解,理解晶体管作为放大器的本质,注意两点,电路中的所有参数均与工作点Q有关,该电路是交流小信号等效电路,电路中各元件的物理意义,7） 、 、 为各极的体电阻,8） 特征频率 定义为共射输出短路电流放大倍数下降为 1 时的频率,二、场效应
8、管小信号模型,根据场效应管漏源电压 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（ 很小）,理解：,电导值为, 此电阻受栅源电压 的控制（可变电阻）,条件：,恒流区场效应管等效为一个理想的电压控制电流源。,饱和区,条件：,伏安特性：,转移跨导：,可见，小信号跨导与偏置电流 的平方根成反比。,场效应管高频小信号模型,等效电路中包含3个极间电容：,-栅极与源区电容,-栅极与漏区电容,-漏极与源极电容,、 、 分别为各极的欧姆电阻， 是漏源电阻， 是串联栅极电阻,对于GaAs FET ，这些参数的典型值为,场效应管的单位电流增益频率为,5.4 低噪声放大器设计,一、低噪声放大器基本电路,
9、如上图所示，放大器电路包括：,放大器的结构框图,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）,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）。,二、低噪放设计的基本任务,三、放大器各部分电路设计,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
10、射极偏置和传输线偏置三种形式。,1. 直流（电压/电流）偏置电路设计,固定基流偏置电路,1） 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。,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（ 、 ）会明显变化。,2）基极分压射极偏置电路,基极分压射极偏置电路,3） 有源偏置电路,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。,传输线偏置电路,3）传输线偏置电路,传输线偏置法
11、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 基极分压射极偏置电路,传输线偏置电路,阻抗匹配/转换电路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。,2. 阻抗匹配/转换电路设计,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）,LNA阻抗匹配/转换电路设计步骤,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
12、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,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。,4）传输线-分立元件混合型匹配网络,传输线-分立元件混合型匹配网络的特点： 1）传输线和分立元件电容混合使用，可以减小匹配网络尺寸，有利于高频集成电路设计。 2）不使用分立元件电感，可降低整个匹配网络的电阻性损耗。 3）可增加元件，以增强电路的调谐性能。,五、常见的LNA电路配置,共发射极或共源极LNA(CE/CS),2.共基极或共栅极
13、LNA(CB/CG),3.共集极或共漏极LNA（CC/CD）,4.电流共用LNA,5.负反馈LNA,六、低噪声放大器的设计步骤,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 2. 确定LNA电路拓扑结构 3. 确定放大器的直流工作点和设计偏置电路 4. 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（输入匹配网络） 6. 确定放大器输出阻抗 7. 匹配放大器输出阻抗到负载阻抗（输出匹配网络） 8. 仿真LNA性能和优化 9. 电路制作和性能调试 10.性能的测量和标定,5.5 低噪声放大器设计实例,低噪声放大器的简要设计过程,1.LNA设计要求的性能指标,2.晶体管
14、的选择,本实验所选用的晶体管为Infineon公司的BFP405_BJT，这种晶体管适合用来设计小信号放大器。单管在2.02.2GHz处的最小噪声系数大于1.5dB，能达到的最大资用增益为17dB。,3.LNA电路方案的确定,根据设计的性能指标，LNA的电路方案为两级放大，为简便起见，前后两级采用对称结构。晶体管的工作点选在负载线的中点，使放大器工作在A类。输入匹配网络采用最小噪声匹配，输出匹配网络采用共轭匹配。,4.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。,上图中，R1、R5为限流电阻，R2与R3、R4构成分压回路，旁路
15、电容C2、C3与四分之一波长传输线L1、L2起阻止基波流向直流源和抑制偶次谐波的作用。电容C4、C5起隔直通交作用。而旁路电容C1、C2负责滤除直流源的杂散信号。,5.阻抗匹配/转换电路设计,阻抗匹配/转换电路设计取决于放大器要求的增益、噪声系数、功率、效率和调失真比等指标。,为了节省元件，并使放大器的性能稳定且布局合理，设计的低噪声放大器的匹配网络均采用单节短截线匹配法，如下图所示。第一级的输入匹配网络采用最小噪声匹配，即确定晶体管的最小噪声源阻抗，将所得到的最小噪声源阻抗匹配到实际的信号源阻抗，输入端匹配好以后，测出此时晶体管的输出阻抗。第二级采用最大增益匹配，将其要求的输入阻抗共轭匹配到
16、第一级的输出阻抗，再将其输出阻抗匹配到实际的负载阻抗。这样就完成了整个放大器的匹配电路设计。,单节短截线匹配网络,当偏置电路和匹配电路设计好以后，整个低噪声放大器设计自身的设计已完成。为了保险起见，还需设计一个直流保护电路，以保证当输入的直流电压和电流过大时，低噪声放大器电路不会受到损坏。,六、实验使用的LNA的电路图,低噪声放大器的原理图,输入匹配网络,级间匹配网络,偏置电路,输出匹配网络,低噪声放大器的版图,输入匹配网络,偏置电路,输出匹配网络,级间匹配网络,直流稳压电路,射频输入端,射频输出端,低噪声放大器实体图,七、测试结果,1.S参数测试结果,测试条件：设备为N5230A矢量网络分析仪，射频输入功率为-30dBm,测试的频率范围：1.8GHz2.5GHz。,单位：dB,2. 增益随频率的变化曲线,此低噪声放大器是窄带的，具有选频功能。,单位：dB,3.射频输入端的回波损耗,单位：dB,4. 射频输入输出端的驻波比,由驻波比可看出LNA输入匹配较好，而输出匹配较差。,单位：dB,5.增益随输入功率的变化曲线,1dB压缩点为：,单位：dB,6.噪声系数曲线,频带内的噪声系数较好，小于2.5dB。,单位：dB,
