低噪声放大器(LNA)仿真与设计ADS

1、2022-5-112022-5-11主 要 内 容 电路噪声的定义电路噪声的定义 二端口网络的噪声系数二端口网络的噪声系数 低噪声放大器基础知识介绍低噪声放大器基础知识介绍 场效应管放大器设计实例场效应管放大器设计实例 BJT放大器设计实例（参考放大器设计实例（参考低噪声放大器设计实例（补低噪声放大器设计实例（补充内容充内容_邓建华）邓建华） 2022-5-11一、电路噪声的定义与分析1.1 什么是噪声？ 用平均值为零的高斯分布随机变量来描述 噪声电压信号 的均方根值 噪声能表征为任何不希望出现的并且对正在处理噪声能表征为任何不希望出现的并且对正在处理的主要信号的的主要信号的干扰信号干扰信号。

2、噪声的数学表达：噪声的数学表达：111/222 RMS( )dlimMMTTnnnTTVVv tt( )nv t2022-5-111.2 噪声的分类 内部噪声，在没有施加外部电流的情况下所能够观察到的噪声：电阻的热噪声额外噪声，只有施加外部电流的情况下才能够观察到的噪声：1/f噪声散粒噪声外部噪声，环境噪声外部电子干扰噪声 一、电路噪声的定义与分析2022-5-111.3 热噪声的定义 导体中的噪声功率表示为：nPkT fkTB 其中K为波尔兹曼常数，T是绝对温度用K表示，而 是测量系统的噪声带宽fB 0m ax1()BGfdfG ） ） LSRRSR RMSnV电路的噪声电压（1）匹配条件下

3、：2 RMS4nnSVPkTBR（2）由（1）和（2） RMS4nSVkTBR（3）一、电路噪声的定义与分析2022-5-111.4 有噪电阻的等效电路 有噪电阻的戴维南等效电路和诺顿等效电路有噪电阻的戴维南等效电路和诺顿等效电路 ） ） nVR（有噪声） R（无噪声） ） ） nIR（无噪声） 一、电路噪声的定义与分析2022-5-111.5 噪声的频域表达形式频谱噪声电压频谱噪声电压频谱噪声电流频谱噪声电流频谱密度频谱密度/nnVVB/nnIIB2( )4nVS fkTRB一、电路噪声的定义与分析2022-5-111.6 噪声的叠加关系两个非相关噪声源的叠加两个非相关噪声源的叠加两个相关噪

4、声源的叠加两个相关噪声源的叠加2212nnnVVV222121, 2122nnnn nnnVVVCV V一、电路噪声的定义与分析2022-5-11二、两端口网络的噪声系数 一个有噪网络可以等效为无噪声网络再加上两个噪声电流一个有噪网络可以等效为无噪声网络再加上两个噪声电流源源 和和 ，然后转换为只有输入端才有噪声源的两端口网络，然后转换为只有输入端才有噪声源的两端口网络1nI2nI 1V1nI有噪声网络 2V1I2I1V无噪声网络 2V1I2I2nI等效 转换 nI1V无噪声网络 2V1I2InV11111212221222nnIIYYVIIYYV 2211nnVIY 111221nnnYII

5、IY2022-5-11 nI无噪声网络 LZnVSVSZnSV1P2P1nP2nP22222112221/()()11/4nninSnninnninnAnnSinPPPVVI RVI RFPPGPVkTBR注意：上述处理没有考虑 和 具有相同噪声机理的事实nVnVnI二、两端口网络的噪声系数2022-5-11前述噪声模型中的 可以分解为非相关分量 和相关分量 ，并进行诺顿变换，如下图所示 ncI无噪声网络 LZnVSY1P2P1nP2nPnSInuI22222()nSnscnunSIVYYIFInInuIncI24nSsIkTBG24nuuIkTBG24nnVkTBR其中源 引起的噪声等效噪声

6、电导 引起的噪声等效噪声电阻 引起的噪声sssYGjBuGnR二、两端口网络的噪声系数2022-5-1122211unscunscscsssGRYYGGFGGBBGGG222minminnnssoptssoptssoptssGGFFGGBBFYYGGmin12ncsoptFRGG二、两端口网络的噪声系数因此，可以选择合适的源导纳，使电路噪声系数最小。2022-5-11三、低噪声放大器基础知识1.1 低噪声放大器功能概述 低噪声放大器是射频微波系统的一种必不可少的部件，它紧接接收机天线，放大天线从空中接收到的微弱信号。低噪声放大器在对微弱信号放大的同时还会产生附加于扰信号，因此它的设计目标是低噪

7、声，足够的增益，线性动态范围宽。低噪声放大器影响整机的噪声系数和互调特性，分析如下：min114(dBm/Hz) NF 10logBW(MHz)/(dB)SS N（2）多个级连网络的总噪声系数：32111212111ntotAAAAAAnFFFFFGGGGGG（1）系统接收灵敏度：2022-5-11三、低噪声放大器基础知识1.2 放大器工作组态分类 A类放大器（导通角360度，最大理论效率50%）用于小信号、低噪声，通常是接收机前端放大器或功率放大器的前级放大。B类（导通角180度，最大理论效率78.5%）和C类（导通角小于180度，最大理论效率大于78.5% ）放大器电源效率高，愉出信号谐波

8、成分高，需要有外部混合电路或滤波电路由B类和C类放大器还可派生出D类、E类、P类等放大器。2022-5-11三、低噪声放大器基础知识1.3 放大器常用元器件 1.两端负阻的二极管器件变容二极管 ：参量放大隧道二极管：隧道效应耿氏二极管：转移电子碰撞雪崩渡越时间二极管：雪崩渡越时间特点：特点：应用于放大器电路的早期器件，制造比较容易、便宜，但是两端口器件实现增益的相关电路价格确比较昂贵，且稳定性较差，调试工作困难。2022-5-11三、低噪声放大器基础知识1.3 放大器常用元器件 2.三端的晶体管器件双极晶体管（BJT）金属半导体场效应管 （MESFET）拟晶态高电子迁移率晶体管（PHEMT）异

9、质结晶体管（HBT）2022-5-11三、低噪声放大器基础知识1.4 放大器的技术参数 （1 1）频率范围：频率范围： 放大器的工作频率范围是选择器件和电路拓扑设计的前提。（2）增益：增益： 它是放大器的基本指标。按照增益可确定放大器的级数和器件类型。 实际功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比，与源阻抗无关，与负载阻抗有关 ;资用功率增益：二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比，源端和负载端均共扼匹配，与源阻抗有关，与负载阻抗无关。它表示放大器增益的最大潜力;转换功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端的资用功率之比，与两端阻抗都有关。2022-5-11三、低噪声放大器基础知

10、识 实际增益测量时，常用插入法，即用功率计先测信号源能给出的功率P1；再把放大器接到信源上，用同一功率计测放大器输出功率P2，功率增益就是 低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益G要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低24dB。12PPG 2022-5-11三、低噪声放大器基础知识 （3 3）噪声系数）噪声系数 放大器的噪声系数是输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值，表示信号经过放大器后信号质量的变坏程度。级联网络中，越靠前端的元件对整个噪声系数的影响越大，在接收前端：必须做低噪声设计。放大器的设计要远离不稳

11、定区。噪声的好坏主要取决于器件和电路设计。 （4 4）动态范围）动态范围 放大器的线性工作范围。最小输入功率为接收灵敏度，最大输入功率是引起1dB 压缩的功率。2022-5-11三、低噪声放大器基础知识 放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度Te来表达。噪声温度Te与噪声系数F的关系是 。式中T0为环境温度，通常取为293K。根据公式，可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪声温度，如下表所示。F(dB)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0F1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.25

12、9 Te(K)6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 F(dB) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10 F1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00Te(K)120.9 171.3 228.1 291.6 362.9 442.9 532.8 633.5 873.5 26370(1)eTTF2022-5-11三、低噪声放大器基础知识 （4 4）非线性特性）非线性特性 常用三阶交调截点P3rd来表征放大器

13、电路的非线性特性，三阶交调截点的典型值比P1dB高10dB。（5 5）稳定性）稳定性 放大器电路的首要条件之一是其在工作频段内的严格稳定性，这一点对微波射频电路是非常重要的，因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振荡的倾向。 2022-5-11三、低噪声放大器基础知识 当放大器的输入和输出端的反射系数的模都小于1（即 ）时，不管源阻抗和负载阻抗如何，网络都是稳定的，称为绝对稳定；当输入端或输出端的反射系数的模大于1时，网络是不稳定的，称为条件稳定。对条件稳定的放大器，其负载阻抗和源阻抗不能任意选择，而是有一定的范围，否则放大器不能稳定工作。 定义：12, 11211211112SSSsu

14、ficient211222122SSSsuficient211222112221122111222SSSSSSSSnecessary101necessarysuficient102necessarysuficient放大器在S输入平面上绝对稳定的充分必要条件为放大器在L输入平面上绝对稳定的充分必要条件为2022-5-11三、低噪声放大器基础知识1、增益与负载有关，输入输出匹配时输出增益最大 如果输入匹配电路和输出匹配电路使微波器件的输入阻抗Zin和输出阻抗Zout都转换到标准系统阻抗Z0，即Zin = Z0， Zout = Z0（或S = 1*，L = 2*）就可使器件的传输增益最高。输入匹配

15、电路输出匹配电路微波器件SP3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0 1 2 sLZinZoutZsZL2022-5-11三、低噪声放大器基础知识 2、输入、输出匹配时，噪声并非最佳。相反有一定失配，才能实现噪声最佳。 对于MES FET（金属半导体场效应晶体管）来说，其内部噪声源包括热噪声、闪烁噪声和沟道噪声。这几类噪声是相互影响的，综合结果可归纳为本征FET栅极端口的栅极感应噪声和漏极端口的漏极哭声两个等效噪声源。这两个等效噪声源也是相关的，如果FET输入口（即P1面）有一定的失配，这样就可以调整栅极感应噪声和漏极噪声之间的相位关系，使它们在输出端口上相互抵消，从而降低了噪声系数。对于双极型

16、晶体管也存在同样机理。 根据分析，为获得最小的FET本征噪声，从FET输入口P1面向信源方向视入的反射系数有一个最佳值，用out表示。当改变输入匹配电路使呈现 S = out 此时，放大器具有最小噪声系数Fmin，称为最佳噪声匹配状态。2022-5-11三、低噪声放大器基础知识 输入、输出不匹配时，增益将下降。因为负载是复数，有可能在不同的负载下得到相同的输出，经分析在圆图上，等增益线为一圆，这个圆叫等增益圆。 当输入匹配电路不能使信源反射系数S和最佳反射系数opt（噪声系数最小时的反射系数）相等时，放大器噪声将增大。由于S是复数，不同的S值有可能得到相同的噪声系数，在圆图上噪声系数等值线为一

17、圆，叫等噪声圆。2022-5-11三、低噪声放大器基础知识 等噪声圆、等增益圆是我们设计输入输出匹配电路，尤其输入匹配电路的依据。2022-5-11三、低噪声放大器基础知识1.5 低噪声放大器的设计原则 在优先满足噪声小的前提下，提高电路增益，即根据输入等增益圆、等噪声圆，选取合适的S ，作为输入匹配电路设计依据。 输出匹配电路设计以提高放大器增益为主， 满足稳定性条件 out = Z0 （ L = 2*） 结构工艺上易实现2022-5-11三、低噪声放大器基础知识1.6 低噪声放大器的CAD设计过程 2022-5-11四、场效应管放大器设计实例 参考ADS2008射频电路设计与仿真实例第五章和FET_LNA_prj工程202