[工学]6第五章 低噪声放大器

《[工学]6第五章 低噪声放大器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]6第五章 低噪声放大器（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章 低噪声放大器5.1 低噪声放大器指标 5.2 晶体管高频等效电路 5.3 低噪声放大器设计 5.4 S 参数 第五章 低噪声放大器第五章 低噪声放大器 特点:1.位于接收机的最前端噪声越小越好要求有适当的稳定的增益2.接收的信号很微弱且变化 小信号线性放大器 线性动态范围大 增益自动控制3.通过传输线直接和天线或天线滤波器相连 匹配4.应具有选频功能，抑制带外和镜象频率干扰本章内容：1. 低噪声放大器的性能指标2. 低噪声放大器的设计第五章 低噪声放大器描述晶体管的两种模型特点：模型中的每个参数均对应一定的物理意义 适用的频率范围较宽举例：混合 型模型1. 物理模型等效电路模型2. 网

2、络模型特点：把晶体管视为一个双端口黑盒子，分析其端口参数适用于特定频率、线性参数举例：S参数注意：应用不同的模型，分析设计低噪放的方法不同本章重点用晶体管的混合 型模型分析、设计低噪放第五章 低噪声放大器5.1 低噪声放大器指标指标0.5m GaAs FET0.8m Si Bipolar电 源 电 压3.0V1.9V电 源 电 流4.0mA2.0mA频 率1.9GHZ1.9GHZ噪声系数NF2.8dB2.8dB增益Gain18.1dB9.5dBIIP311.1dBm3dBmInput VSWR1.51.2Output VSWR3.11.4隔 离21dB21dB低噪放（LNA）高频、小信号、线性

3、、选频放大器第五章 低噪声放大器低噪放（LNA）指标分析（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 小第五章 低噪声放大器（3）噪声系数双极晶体管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：线性网络：第五章 低噪声放大器（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 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（5）自动增益控制根据接收信号的强弱自动控制增益

4、信号弱，增益大信号强，增益小，以防 后级非线性失真第五章 低噪声放大器（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. 共栅组态输入阻抗改变 达匹配c.电阻负反馈改变输入阻抗d. 电感负反馈改变输入阻抗第五章 低噪声放大器（7）线性范围衡量指标：三阶互调截点IIP3、增益1dB压缩点（8）隔离度和稳定性引起不稳定的原因正向传输压控电流源反向传输极间电容 失配法采用共射共基（共源共栅） 组合连接改进措施 中和法用中和电容抵消由 引起的反向传输输入第五章 低噪声放大器中和法是利用中和电容Cn的中和电路。 为了

5、抵消Yre的反馈, 从集电极回路取一与 反相的电压 , 通过Cn反馈到输入端。根据电桥平衡有则中和条件为 第五章 低噪声放大器第五章 低噪声放大器中和电路(a) 原理电路; (b) 某收音机实际电路第五章 低噪声放大器5.2 晶体管高频等效电路 射频集成电路主要工艺 双极（Bipolar）砷化钾 GaAs最高频率达到10050GHz超高速微电子学和光电子学 CMOS 噪声低、线性好、与数字集成电路兼容3GHz以上工艺技术截止频率 (GHZ)Bipolar 25 50BiCMOS 10 20SiGe HBT 40 - 80第五章 低噪声放大器共射放大器原理图 基极偏置VBEQ 决定基极偏置电流

6、IBQ 集电极电源 VCC 负载电阻 RL共同决定工作点Q输入信号为 , 当 ( ) 时晶体管可用其等效电路代替5.2.1 双极型晶体管共射小信号等效电路输出电流公式第五章 低噪声放大器混合 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 第五章 低噪声放大器晶体管作为放大器的本质一个电压控制的电流源 正向传输放大器的输入阻抗，电阻和电容 、放大器输出电阻 （很大） ce极限工作频率 由等效电路中的电容引起 反向传输器件引起放大器不稳定第五章 低噪声放大器5.2.2 场效应管小信

7、号模型场效应管工作的两个区以 大小划分饱和区（恒流区）可变电阻区可变电阻区特性（ 很小）理解：和 成线性关系电导值为 此电阻受栅源电压 的控制（可变电阻） 恒流区场效应管等效为一个理想的电压控制电流源第五章 低噪声放大器恒流区特性伏安特性为： 成平方律关系转移跨导（ 对 的控制能力）小信号跨导与管子特性及工作点偏置有关小信号等效电路正向传输 电压控制电流源输入阻抗呈容性输出电阻很大反馈电容引起不稳定极限工作频率 由等效电路中的电容引起 第五章 低噪声放大器5.3 低噪声放大器设计采用晶体管的等效电路模型设计、分析低噪声放大器电路组成：晶体管、偏置、输入匹配和负载四大部分 典型电路Q晶体管 Q偏

8、置电阻 、 、输入匹配网络负载：选频回路交流旁路电容 、负载电阻 晶体管、负载部分接入第五章 低噪声放大器分析电路步骤（2）画出放大器的交流通路图（3）代入晶体管的小信号等效电路及参数，计算放大器的各项指标（1）分析直流偏置，决定直流工作点，得出对应工作点的参数画交流通路图的原则： 直流电源是交流地 大电容（交流旁路电容）短路 大电感（扼流圈)开路 仅做偏置用的直流电阻可不画第五章 低噪声放大器Q完整电路 画交流图电源是交流地去掉偏置大电容短路代入晶体管等效电路设晶体管 为单向传输第五章 低噪声放大器计算增益（单向传输）对线圈部分接入 进行折合电流源 和 接入系数负载接入系数第五章 低噪声放大

9、器回路谐振，低噪放工作频率为设LC回路的空载Q为Q0回路谐振阻抗（其中 ） 选择回路电抗元件： 回路谐振阻抗 输出电压 电压增益 低噪放回路带宽其中( )第五章 低噪声放大器增加稳定性抵消极间电容 的影响添加中和电容注意反馈的极性极间电容的反馈通路中和电容的反馈通路第五章 低噪声放大器例5.3.1 1GHZ CMOS 低噪声放大器 1. 电路结构：场效应管M1和 M2、共栅组态接成双端输入双端输出差动放大器 输入端采用电感 和组成匹配网络 输出端采用LC回路选频电感 （ ）下级输入电容CO M3 交流短路（作用见后分析） COCO偏置为 （偏置电路省略），电感 和 同时提供了各管子直流通路 第

10、五章 低噪声放大器电路分析画交流通路图(以M1为例）共栅、 栅源电容漏极电容 （包括栅漏电容 ）杂散及分布电容 CP 杂散电容 （包括下级混频器的输入电容） 第五章 低噪声放大器（1）输入匹配网络外接电感线圈 L1 栅源电容杂散及分布电容 CP并联回路谐振频率工作频率1GHz回路谐振阻抗共栅极输入阻抗为调节匹配方法：调节 M1和M2 的偏置电压VG 改变 M1 M2 的跨导 gm ，使 = ，完成与源阻抗匹配 。第五章 低噪声放大器（2）输出回路电感线圈L3漏极电容杂散电容（包括下级输入电容）并联谐振回路， 谐振于工作频率。已知管子电容 和 ，得：第五章 低噪声放大器代入MOS管共栅等效电路2

11、. 性能指标 (1) 增益增益管子跨导负载回路谐振阻抗设线圈L3 的串联损耗电阻是 r 单管增益：比值 取决于电感的制作方式 外接电感芯片内集成电感第五章 低噪声放大器放大器总增益总输出总输入差分放大器总增益与单管相同第五章 低噪声放大器（2） 带宽 当两个回路Q值相同时电路特点：输入 输出并联回路选频阻抗变换带宽？由两个回路共同决定设每个回路带宽为BW1称 为缩减因子。 当两回路 Q相差很大时带宽取决于 高Q回路输出回路Q值高第五章 低噪声放大器（3）放大器噪声放大器噪声源所以等效输入噪声源放大器噪声系数F = 1+ 电路变形，将噪声源分裂成两个输出端 折合到输入端：第五章 低噪声放大器（4

12、）线性差动输入方式输入信号动态范围大于单管差动输出方式输出电流是M1和M2的输出电流之差抵消非线性失真的偶次谐波扩大了线性范围第五章 低噪声放大器共栅组态Cgd 没有反馈Cgd 包含在Cd 中（6）输出电平调节目的：与后级直流一致M3工作在可变电阻区 调节M3 的栅极偏压VC改变了M3等效电阻改变了输出直流电平（5）隔离增强稳定性 不稳定原因极间电容Cgd 第五章 低噪声放大器例5.3.2 1.9 GHz CMOS 低噪声放大器 电路特点负载用 与下级输入电容组成并联回路 有源偏置 对称双端输入 双端输出差分形式 共源共栅级连电路 输入回路串联电感源极电感负反馈 第五章 低噪声放大器VDD电阻

13、 阻止M3 的噪声进入 M1M3与M1组成镜象电流源 （1）偏置电路电路分析M3的电流电阻M3的偏压电源电压VDD第五章 低噪声放大器代入场效应管 等效电路的输入级（2）输入阻抗匹配输入电路输入回路方程输入阻抗为与源阻抗匹配调谐输入回路串联谐振于工作频率调节 与源阻抗共轭匹配第五章 低噪声放大器Qin为输入回路的有载Q （3）噪声仅考虑由场效应管M1的沟道电阻噪声 （5）线性双端输入和输出差分对结构 源极采用电感L2负反馈阻抗 扩大线性范围（6）隔离共源共栅接连组态失配法，提供了最佳的输出输入间的隔离度，减少了极间电容 影响（4）增益共源共栅级连、负载LC回路M1M2L3C第五章 低噪声放大器

14、参数 数值增益 20.7dB噪声系数 2.4 dB输入阻抗（ ） -27 dB（在1.894GHz） -2 dBm镜频抑制（在1.5GHz） -10.6 dB功耗 19.8mW电源3.3V低噪放的性能模拟结果第五章 低噪声放大器实际产品举例MAX2640低功耗、超低噪声集成放大器 工作频率范围：400 1500MHz ，增益15.1dB增益随温度变化0.6 dB噪声系数0.9 dB输入回波损耗-11 dB输出回波损耗-14 dB反向隔离40 dB输入1dB增益压缩点-22 dBm输入三阶截点-10 dBm测试条件：电源电压输入射频功率温度阻抗小信号线性指标第五章 低噪声放大器MAX2640 S参数频率模相角 模相角 模相角 模相角4000.907-35.14.62109.10.00113.50.302108.48000.810-64.94.8529.10.00464.20.38456.812000.735-88.04.48-53.40.013-10.60.45