低噪声放大器

1、 低噪声放大器（低噪声放大器（low-noise amplifier，简称，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。配和一定的频带选择等性能。 低噪声放大器工作在低噪声放大器工作在A类类，其导通角为，其导通角为360度度。在。在进行小信号放大，基本可以做到线性放大，故经过放进行小信号放大，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。大后的信号线性失真很小。 一、一、低噪声放大器简介低噪声放大器简介二、二、

2、低噪声放大器在通信射频前端的位置低噪声放大器在通信射频前端的位置例：例：单次变频超外差式接收单次变频超外差式接收机机 由于天线接收输入信号通常很小由于天线接收输入信号通常很小, ,需要对其需要对其进行放大，但为了进行放大，但为了尽可能地少的引入噪声尽可能地少的引入噪声，故，故采用低噪声放大器对天线接收的微弱信号进行采用低噪声放大器对天线接收的微弱信号进行放大。放大。 LNA所接受的信号是很微弱的，故它是一所接受的信号是很微弱的，故它是一个信号个信号线性放大器线性放大器。 低噪声放大器的输入端必须与前接的天线低噪声放大器的输入端必须与前接的天线滤波器或天线滤波器或天线匹配匹配。 低噪声放大器应具

3、有一定的低噪声放大器应具有一定的选频能力选频能力，因，因此它一般是频带放大器。此它一般是频带放大器。三、三、低噪声放大器的主要特点低噪声放大器的主要特点 LNA靠近接收机的最前端，要求它的噪靠近接收机的最前端，要求它的噪声系数声系数越小越好越小越好。 指标指标0.5m GaAs0.5m GaAs FET FET0.8m Si0.8m Si Bipolar Bipolar电电 源源 电电 压压3.0V3.0V1.9V1.9V电电 源源 电电 流流4.0mA4.0mA2.0mA2.0mA频频 率率1.9GHZ1.9GHZ1.9GHZ1.9GHZ 噪声系数噪声系数NFNF2.8dB2.8dB2.8d

4、B2.8dB 增益增益GainGain18.1dB18.1dB9.5dB9.5dBIIPIIP3 311.1dBm11.1dBm3dBm3dBmInput VSWRInput VSWR1.51.51.21.2Output VSWROutput VSWR3.13.11.41.4隔隔 离离21dB21dB21dB21dB例：例：0.5um GaAs0.5um GaAs FET FET 和和 0.8um Si0.8um Si Bipolar Bipolar 工艺的低噪声放大器工艺的低噪声放大器指标指标。从表中可以看出，低噪声放大器的从表中可以看出，低噪声放大器的主要指标主要指标为：为：噪声系数噪声系

5、数线性范围线性范围增益增益输入输出阻抗的匹配输入输出阻抗的匹配输入输出的隔离输入输出的隔离功耗功耗 以上各项指标并不独立，是相互关联的，在以上各项指标并不独立，是相互关联的，在设计中如何设计中如何折中折中，兼须各项在指标，是设计的，兼须各项在指标，是设计的重点也是难点。重点也是难点。（1 1）低功耗低功耗移动通信的必然要求移动通信的必然要求（2 2）工作频率工作频率取决于晶体管的特征频率取决于晶体管的特征频率Tf2 ()2mmTggfccC与与工作点工作点有关有关取决于取决于半导体工艺半导体工艺低电源电压低电源电压小的静态电流小的静态电流跨导跨导 小小mg（3 3）噪声系数噪声系数双极晶体管双

6、极晶体管1111222bbmSbbmSmSrg RrFRsg RRsg R 线性网络：线性网络：2()14nnSSVI RFkTBR 场效应管场效应管111SmFRg 双极晶体管放大器的噪声与基区体电阻双极晶体管放大器的噪声与基区体电阻 有关有关bbr放大器的噪声与工作点有关放大器的噪声与工作点有关 mg放大器噪声系数与放大器噪声系数与信号源内阻信号源内阻有关有关分析：分析：（4 4） 增益增益增益要适中增益要适中增益大增益大可降低后级对系统可降低后级对系统噪声系数噪声系数的影响的影响增益大增益大后级易产生后级易产生非线性失真非线性失真增益取决于增益取决于mg跨导跨导 由由工作点工作点决定决定

7、负载负载LNALNA的负载形式的负载形式LCLC谐振回路谐振回路 Q Q值、谐振阻抗值、谐振阻抗集中参数选频滤波器集中参数选频滤波器注意阻抗匹配注意阻抗匹配（5 5）自动增益控制自动增益控制根据接收信号的根据接收信号的强弱强弱自动控制增益自动控制增益信号弱，信号弱，增益大增益大信号强，信号强，增益小增益小，以防后级非线性失真，以防后级非线性失真（6 6）输入阻抗匹配输入阻抗匹配放大器与放大器与输入源输入源的匹配的匹配最大功率传输最大功率传输共轭匹配共轭匹配噪声系数最小噪声系数最小噪声匹配噪声匹配匹配方式匹配方式a.a.共源组态共源组态输入阻抗很输入阻抗很大并联电阻大并联电阻等于信号源等于信号源

8、内阻内阻b.b. 共栅组态共栅组态1mg输入阻抗输入阻抗改变改变 达达匹配匹配mgc.c.电阻电阻负反馈负反馈改变输改变输入阻抗入阻抗d.d.电感电感负反馈负反馈改变输改变输入阻抗入阻抗（7 7）线性范围线性范围衡量指标：衡量指标：三阶互调截点三阶互调截点IIPIIP3 3、增益、增益1dB1dB压缩点压缩点讨论放大器的线性范围时应注意的讨论放大器的线性范围时应注意的三个问题三个问题：1）线性范围和线性范围和器件器件有关，场效应管由于是平方率特有关，场效应管由于是平方率特性，因此它的线性要比双极型好。性，因此它的线性要比双极型好。2）线性范围和线性范围和电路结构电路结构有关。有关。3）输入端的

9、输入端的阻抗匹配网络阻抗匹配网络也会影响也会影响LNA的线性范围。的线性范围。（8 8）隔离度和稳定性隔离度和稳定性 增大低噪声放大器的增大低噪声放大器的反向隔离反向隔离可以减少本振信号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。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极间的级间电容 以及电路中以及电路中寄生参数寄生参数的影响，的影响，它们也是造成放大器它们也是造成放大器不稳定不稳定的原因。的原因。bcC 通常采用通常采用中和电容中和电容法及晶体管法及晶体管共射共基共射共基（

10、或共（或共源共栅）结构提高稳定性。源共栅）结构提高稳定性。一、一、射频集成电路工艺射频集成电路工艺 现代移动通信的发展要求现代移动通信的发展要求低成本低成本，低功耗低功耗，高集成高集成的集成电路，为了实现射频集成，选择的集成电路，为了实现射频集成，选择合适的工艺技术很重要。合适的工艺技术很重要。 目前常用的射频集成电路工艺有：目前常用的射频集成电路工艺有：双极双极（bipolarbipolar）、）、 GaAsGaAs 和和 CMOSCMOS 工艺。工艺。1 1）双极工艺：双极工艺：纯双极（纯双极（pure bipolarpure bipolar）-BJTBJT, , BiCMOSBiCMOS

11、 和和 SiGeSiGe HBTHBT（异质结双极管）与（异质结双极管）与 CMOS CMOS 相比，相比，双极晶体管有两个双极晶体管有两个优点优点： 相同的偏置电流下，跨导大，可使放大器在较小相同的偏置电流下，跨导大，可使放大器在较小的功耗下获得大增益。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。功耗下获得大增益。Tf工艺技术工艺技术截止频率截止频率 (GHZ)(GHZ)BipolarBipolar25 5025 50BiCMOSBiCMOS10 2010 20SiGeSiGe HBT HBT40 - 8040

12、- 802 2） GaAsGaAs 工艺工艺 GaAs GaAs 是一种化合半导体材料，性能未定，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工艺成熟，它的最高频率可达到 50-100GHz50-100GHz。3 3） CMOS CMOS 工艺工艺 CMOS CMOS器件器件噪声低噪声低，线性度好线性度好，可将通信系统，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。动通信集成电路的发展方向。二、二、晶体管高频等效模型晶体管高频等效模型 在利用晶体管进行放大器、振荡器混频器在利用晶体管进行放大器、振荡器混

13、频器等单元基础电路设计时，都需要晶体管的等单元基础电路设计时，都需要晶体管的电路电路模型模型作为指导，因此理解晶体管的高效等效模作为指导，因此理解晶体管的高效等效模型是很重要的。型是很重要的。 由于晶体管有由于晶体管有三极管三极管和和场效应管场效应管两类，而两类，而它们各自的工作机理不相同，故它们的模型也它们各自的工作机理不相同，故它们的模型也不一样。不一样。共射放大器原理图共射放大器原理图 基极偏置基极偏置V VBEQBEQ 决定基极偏置电流决定基极偏置电流 I IBQBQ集电极电源集电极电源 V VCCCC负载电阻负载电阻 R RL L共同决定共同决定工作点工作点Q Q1.1.双极型晶体管

14、共射小信号等效电路双极型晶体管共射小信号等效电路基极电流与偏置基极电流与偏置电压关系图电压关系图输入信号为输入信号为 , , svBEBEQsvVv输出电流公式输出电流公式BEsqqvvkTkTCSCQiI eIeBJTBJT的的I-VI-V曲线曲线工作点工作点Q Q26TkTVmVq当当 ， 时时smTVV晶体管可用如下图所示的晶体管可用如下图所示的等效电路等效电路代替代替混合混合 型等效电路型等效电路理解电路中各元件的物理意义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理解晶体管作为放大器的本质注意两点注意两点电路中的

15、所有参数均与工作点电路中的所有参数均与工作点Q Q有关有关 该电路是交流小信号等效电路该电路是交流小信号等效电路 电路中各元件的物理意义电路中各元件的物理意义BEBmQvrig为输出交流短路时的为输出交流短路时的输入电阻输入电阻1）CQCmBETQIigvV2）为正向为正向传输跨导传输跨导0CEACCQQvVriI3）为输入交流短路下的为输入交流短路下的输出阻抗输出阻抗jebCCC4） 为正偏为正偏发射结电容发射结电容 为基区为基区扩散电容扩散电容jeCbC001nBCCCV5）反偏反偏集电结电容集电结电容csC集电结与衬底间的集电结与衬底间的势垒电容势垒电容6）bbreerccr7） 、 、

16、 为各极的为各极的体电阻体电阻 8） 特征频率特征频率 定义为共射输出短路电流放定义为共射输出短路电流放 大倍数下降为大倍数下降为 1 时的频率时的频率Tf2 ()2mmTggfCCC二、二、场效应管小信号模型场效应管小信号模型 根据场效应管漏源电压根据场效应管漏源电压 的大小，可以分为的大小，可以分为可可变电阻区变电阻区和和饱和工作区饱和工作区。DSv()()DnGSGS thDSivVvu 可变电阻区特性（可变电阻区特性（ 很小）很小）DSv理解：理解： 和和 成线性关系成线性关系DiDSv()()DnGSGS thDSigvVv电导值为电导值为GSv 此电阻受栅源电压此电阻受栅源电压 的

17、控制（的控制（可变电阻可变电阻） ()GSGS thvV()DSGSGS thvvV条件：条件：恒流区场效应管等效为一个理想的恒流区场效应管等效为一个理想的电压控制电流源电压控制电流源。u 饱和区饱和区()GSGS thvV()DSGSGS thvvV条件：条件：2()1()2DnGSGS thivV伏安特性：伏安特性：转移跨导：转移跨导：()()2DmnGSGS thnDQDSigvVIv可见，小信号跨导与偏置电流可见，小信号跨导与偏置电流 的平方根的平方根成反比成反比。DQI 场效应管高频小信号模型场效应管高频小信号模型等效电路中包含等效电路中包含3个极间电容：个极间电容： -栅极与源区电

18、容栅极与源区电容gsCdsC -栅极与漏区电容栅极与漏区电容gdC-漏极与源极电容漏极与源极电容 、 、 分别为各极的欧姆电阻，分别为各极的欧姆电阻， 是漏源是漏源电阻，电阻， 是串联栅极电阻是串联栅极电阻GrSrDrdsriR对于对于GaAs FET ，这些参数的典型值为，这些参数的典型值为7iR 400dsr 0.3gsCpF0.12dsCpF0.01gdCpF40mgmS场效应管的场效应管的单位电流增益单位电流增益频率为频率为2 ()2mmTgsgdgsggfCCC一、一、低噪声放大器基本电路低噪声放大器基本电路如上图所示，放大器电路包括：如上图所示，放大器电路包括：放大器的结构框图放大

19、器的结构框图1.直流（电压直流（电压/电流）电流）偏置电路偏置电路2.阻抗阻抗匹配匹配/转换转换电路电路3.控制和控制和保护保护电路（按需要）电路（按需要）二、二、低噪放设计的基本任务低噪放设计的基本任务三、放大器各部分电路设计三、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，隔作点，其本质是一个低通滤波器，起到通直流，隔交流的作用。交流的作用。 直流偏置电路有两种类型，一种是无源偏置，另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、一种为有源偏置。无源

20、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。基极分压射极偏置和传输线偏置三种形式。 1. 直流（电压直流（电压/电流）偏置电路设计电流）偏置电路设计固定基流偏置电路固定基流偏置电路1） 固定基流偏置电路固定基流偏置电路 工作点电流电压的改变会使工作点电流电压的改变会使BJTBJT小信号参数改变，从小信号参数改变，从而使放大器的性能指标不稳定，而使放大器的性能指标不稳定，甚至振荡。甚至振荡。CICEV 固定基流偏置电路电路固定基流偏置电路电路结构比较简单，但当温度、结构比较简单，但当温度、电源电压变化或更换参数不电源电压变化或更换参数不同的同的BJT时，直流时，直流工作点工作点

21、Q（ 、 ）会明显变化。）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基极分压射极偏置电路基极分压射极偏置电路 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是一种可以稳定工作的电路结构。电路中利用结构。电路中利用电阻电阻 引入引入电流采样电压求和电流采样电压求和式的式的负反馈，当某种原因（如温负反馈，当某种原因（如温度升高，电源电压增加或更度升高，电源电压增加或更换更大换更大 的的BJT）使得工作）使得工作点的点的 ER 增加时，则电路中直流负反馈作用可以增加时，则电路中直流负反馈作用可以抑制抑制 的增加，使得放大器的的增加，使得放大器的静态工作点相当稳定静态工

22、作点相当稳定。CICI3） 有源偏置电路有源偏置电路有源偏置电路有源偏置电路 有源偏置电路具有相有源偏置电路具有相当出色的当出色的温度稳定性温度稳定性，但同时也带来了元件数但同时也带来了元件数目增多，电路结构复杂目增多，电路结构复杂等缺点。在放大器的温等缺点。在放大器的温度稳定性度稳定性要求比较高要求比较高的的时候，可以考虑采用这时候，可以考虑采用这种偏置电路。种偏置电路。传输线偏置电路传输线偏置电路3）传输线偏置电路传输线偏置电路 传输线偏置法可以传输线偏置法可以抑制偶次谐波抑制偶次谐波，并且还可以，并且还可以改善放大器的稳定性改善放大器的稳定性。固定基流偏置电路固定基流偏置电路 基极分压射

23、极偏置电路基极分压射极偏置电路传输线偏置电路传输线偏置电路 阻抗匹配阻抗匹配/ /转换电路设计取决与放大器要求的增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。益、噪声系数、功率、效率和调失真比等指标。2. 阻抗匹配阻抗匹配/转换电路设计转换电路设计 1）确定要求的最小噪声源阻抗）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）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）（输入阻抗匹配网络） 3）确定放大器输出阻抗）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）匹配输出阻抗到负载阻抗（输出匹配网络） LNA阻抗匹配阻

24、抗匹配/转换电路设计步骤转换电路设计步骤 常用的匹配电路类型常用的匹配电路类型1）L型匹配电路型匹配电路 L型匹配电路是型匹配电路是最简单最简单的匹配电路类型，但其的匹配电路类型，但其Q值值固定，且存在匹配禁区。固定，且存在匹配禁区。 2）T形或形或 形形匹配电路匹配电路三元件和多元件匹配网络的三元件和多元件匹配网络的特点特点a适合几乎适合几乎所有的匹配条件所有的匹配条件。b由于增加了元件，使匹配网络有由于增加了元件，使匹配网络有很好的调谐性能很好的调谐性能。c可调整匹配网络节点的品质因数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电路 传输线匹配网络具有良好的通用性，它可在任

25、意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匹配电路特别适用于GHz以上以上的射频电路，由于节约的射频电路，由于节约元器件，故能元器件，故能减小成本减小成本。4）传输线传输线-分立元件混合型匹配网络分立元件混合型匹配网络传输线传输线-分立元件混合型匹配网络的分立元件混合型匹配网络的特点特点：1）传输线和分立元件电容混合使用，可以传输线和分立元件电容混合使用，可以减小匹配减小匹配网络尺寸网络尺寸，有利于高频集成电路设计。，有利于高频集成电路设计。2）不使用分立元件不使用分立元件电感电感，

26、可降低整个匹配网络的电，可降低整个匹配网络的电阻性损耗。阻性损耗。3）可增加元件，以增强电路的可增加元件，以增强电路的调谐调谐性能。性能。五、五、常见的常见的LNALNA电路配置电路配置1.1.共发射极或共源极共发射极或共源极LNA(CE/CS)LNA(CE/CS)2.2.共基极或共栅极共基极或共栅极LNA(CB/CG)LNA(CB/CG)3.3.共集极或共漏极共集极或共漏极LNALNA（CC/CDCC/CD） 4. 4.电流共用电流共用LNA LNA 5.5.负反馈负反馈LNALNA六、六、低噪声放大器的设计步骤低噪声放大器的设计步骤1.1. 依据应用要求（噪声，频率，带宽，增益，功耗等）选

27、择依据应用要求（噪声，频率，带宽，增益，功耗等）选择 合适的晶体管合适的晶体管2. 2. 确定确定LNALNA电路拓扑结构电路拓扑结构3. 3. 确定放大器的直流工作点和设计偏置电路确定放大器的直流工作点和设计偏置电路4. 4. 确定最小噪声输入阻抗确定最小噪声输入阻抗5.5. 将最小噪声输入阻抗匹配到信号源阻抗（输入匹配网络）将最小噪声输入阻抗匹配到信号源阻抗（输入匹配网络）6. 6. 确定放大器输出阻抗确定放大器输出阻抗7. 7. 匹配放大器输出阻抗到负载阻抗（输出匹配网络）匹配放大器输出阻抗到负载阻抗（输出匹配网络）8. 8. 仿真仿真LNALNA性能和优化性能和优化9. 9. 电路制作

28、和性能调试电路制作和性能调试10.10.性能的测量和标定性能的测量和标定频带频带/GHz/GHz 2.0 2.02.22.2噪声系数噪声系数/dB/dB =2.5 =28 =28等驻波比等驻波比VSWRVSWR =2.5 =-5 =-5增益平坦度增益平坦度/dB/dB 1 1u 低噪声放大器的简要设计过程低噪声放大器的简要设计过程 1.1.LNALNA设计要求的设计要求的性能指标性能指标2.2.晶体管的选择晶体管的选择 本实验所选用的晶体管为本实验所选用的晶体管为InfineonInfineon公司的公司的BFP405_BJTBFP405_BJT，这种晶体管适合用来设计小信号放，这种晶体管适合

29、用来设计小信号放大器。单管在大器。单管在2.02.02.2GHz2.2GHz处的最小噪声系数大于处的最小噪声系数大于1.5dB1.5dB，能达到的最大资用增益为，能达到的最大资用增益为17dB17dB。 3.3.LNALNA电路方案的确定电路方案的确定 根据设计的性能指标，根据设计的性能指标，LNA的电路方案为两级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管的工作点选在负载线的中点中点，使放大器工作在，使放大器工作在A类。输入匹配网络采用类。输入匹配网络采用最小噪声匹配最小噪声匹配，输出匹配网，输出匹配网络采用

30、络采用共轭匹配共轭匹配。4.4.偏置电路设计偏置电路设计 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，其本质是一个作点，其本质是一个低通滤波器低通滤波器，起到，起到通直流通直流，隔交隔交流流的作用。的作用。 上图中，上图中，R1R1、R5R5为限流电阻，为限流电阻，R2R2与与R3R3、R4R4构成分构成分压回路，旁路电容压回路，旁路电容C2C2、C3C3与四分之一波长传输线与四分之一波长传输线L1L1、L2L2起阻止基波流向直流源和抑制偶次谐波的作用。起阻止基波流向直流源和抑制偶次谐波的作用。电容电容C4C4、C5C5起隔直通交作用。而旁路电容起

31、隔直通交作用。而旁路电容C1C1、C2C2负负责滤除直流源的杂散信号。责滤除直流源的杂散信号。5.5.阻抗匹配阻抗匹配/ /转换电路设计转换电路设计 阻抗匹配阻抗匹配/转换电路设计取决于放大器要求的增益、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。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，测出此时晶体管的号源阻抗，输入端匹配好以后，测出此时