通信电子线路顾宝良电子教案版本-02低噪声放大器

《通信电子线路》

(第三版)顾宝良编著26十月20222．1 引言2．2 晶体管高频小信号模型2．3 二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理2．4 低噪声放大器的主要技术指标2．5 低噪声放大器的噪声匹配2．6 低噪声放大器的设计与仿真2．7 低噪声放大器设计举例26十月2022

2．1引言低噪声放大器在接收通道中的作用与位置图2.1.1某CDMA移动台射频前端收发系统结构框图26十月2022LNA的主要特点1、要求LNA有较低的噪声系数。2、要求LNA有一定的功率增益。3、要求LNA具有足够的线性范围。4、LNA的匹配问题

2．1引言26十月2022主要参数：发射结的结电阻rb’e、发射结电容Cb’e、集电结电容Cb’c基极电阻rbb’、gmUb’e

、特征频率fT.

2．2晶体管高频小信号模型

2．2．１ BJT共射高频小信号模型图2.2.1双极型晶体管混合π型简化模型

1、高频小信号模型26十月2022

rb’e为发射结的结电阻，其值为：Cb’e

为发射结电容，包含势垒电容CT和扩散电容

CD两部份，即Cb’e=CT+CD

。

Cb’c为集电结电容，它也包含势垒电容CT和扩散电容

CD两部份。

主要参数：

2．2晶体管高频小信号模型

2．2．１ 双极型晶体管共射小信号等效模型26十月2022

rbb’

由基极引线电阻和基区体电阻组成，其值约为几十到几百欧。

gmUb’e表示双极型晶体管放大作用的等效电流源。

特征频率fT，定义为共射输出短路电流放大倍数β

下降为1时的频率

主要参数：

2．2晶体管高频小信号模型

2．2．１ 双极型晶体管共射小信号等效模型26十月2022

2．2晶体管高频小信号模型

2．2．１ 双极型晶体管共射小信号等效模型2、噪声源双极型晶体管的噪声源主要有以下三方面的噪声：

1）基极散弹噪声和1/f噪声。

2）集电极散弹噪声。

3）基极体电阻热噪声。26十月2022主要参数：

跨导gm、输出电阻rds、栅源极间和栅漏极间电容Cgs和Cgd、漏源极间电容Cds、最高工作频率fm

2．2晶体管高频小信号模型

2．2．2 场效应管小信号模型1、高频小信号模型26十月2022跨导gmµ为迁移率，通常为常数。Cox为单位面积的栅极电容量，l为沟道长度，W为沟道宽度。

输出电阻rds称为沟道长度调制系数，UA为厄尔利电压

主要参数：

2．2晶体管高频小信号模型

2．2．2 场效应管小信号模型26十月2022

栅源极间和栅漏极间电容Cgs和Cgd漏源极间电容Cds，主要由漏、源区分别与衬底之间PN结的势垒电容组成，通常为0.1~1pF左右。

Cgs和Cgd主要由MOS平板电容组成，工程中可以用下式近似估算

最高工作频率fm

主要参数：

2．2晶体管高频小信号模型

2．2．2 场效应管小信号模型26十月2022

2．2晶体管高频小信号模型

2．2．2 场效应管小信号模型2、噪声源

场效应管的噪声源主要是沟道电阻的热噪声，特别是MOSFET的沟道电阻热噪声。由于栅极电容的存在，沟道噪声会通过栅极电容Cgs和Cgd耦合到栅极，形成栅极噪声电流源。26十月2022一、z参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数图2.3.1二端口网络

如果要确定输入、输出阻抗，则就是z参数。以各端口的电流作自变量，而各端口的电压作应变量，则z参数是输入、输出端口开路时的阻抗，z参数称作开路阻抗参数。26十月2022二、y参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数图2.3.2BJT的共射y参数等效模型若将BJT共射组态看作一个线性二端口网络,相应的y参数方程为：26十月2022二、y参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数 yie、yre、yfe、yoe分别是BJT的输入导纳、反向传输导纳、正向传输导纳和输出导纳。y参数不仅与静态工作点电压、电流值有关,而且还也与工作频率有关,是工作频率的函数。在高频工作时,由于BJT的结电容不可忽略,y参数是一个与频率有关的复数。26十月2022三、h参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数hie——输出短路时的输入电阻；

hre——输入开路时的反向传输系数；

hfe——输出短路时的电流放大系数；

hoe——输入开路时的输出电导。h参数是一组混合参数，仅适合于低频小信号放大电路的分析26十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数

图2.3.3S参数二端口网络S11是输出端口2匹配时，输入端口1处的反射系数。26十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数

图2.3.3S参数二端口网络S12是输入端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数。26十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数

图2.3.3S参数二端口网络S21是输出端口2匹配时，

端口1到端口2的正向传输系数。26十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数

图2.3.3S参数二端口网络S22是输入端口1匹配时，输出端口2处的反射系数。26十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数S参数是射频电路中最常用的参量，是一个直接与功率有关的参量，可以直接用来表达功率和功率增益。例如1端口的平均功率应为：26十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数

S参数还可以直接表达反射系数(即回波损耗)，通常反射系数定义为端口网络的反射波与入射波之比。输入端口向网络看入的反射系数为：ГL是由网络的2端口向负载看入的反射系数,又称负载反射系数。Гin不仅与S参数有关，而且还与负载有关。当输出端口2匹配时，ГL=0,则Гin=S1126十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数输出端口向网络看入的反射系数：ГS是由网络的1端口向信号源看入的反射系数,又称源反射系数。Гout不仅与S参数有关，而且还与信号源有关。当输入端口1匹配时，ГS=0,则Гout=S2226十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数端口2的电压与信号源的电压有直接的关系，S21可以用来表示网络端口的正向传输功率增益，若忽略S12，而要考虑源反射系数ГS和负载反射系数ГL，单向化传输功率增益：26十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数在LNA的工程设计中，我们需要在已知S参数的情况下，确定ГS和ГL的数值，使放大器的单向化传输功率增益达到某一特定数值。为了使设计简单化，可以单独将输入、输出匹配网络分开设计，可以用如下关系式统一表达:式中:m为S或L;nn为11或22。若增益Gm和ГL的数值，为某一确定数值时，该方程式的解Гm是一个圆，该圆称为恒增益圆。恒增益圆的引入可以简化对LNA的仿真设计，有着很现实的意义。26十月2022四、S参数：

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．1 二端口网络参数总结：S11、S22和S21是射频电路中比较重要的参量。1、S12可以确定网络端口的反向功率增益；2、S12是射频电路的不稳定因素，应该越小越好。3、根据S参数的物理含义，S参数是很容易通过测量获取的，目前已经有多种测量S参数的仪器。26十月2022

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．2 S参数的ADS仿真原理 ADS(AdvancedDesignSystem)是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款电子设计自动化EDA软件。ADS功能十分强大，包含：时域电路仿真(SPICE-likeSimulation)

频域电路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)

三维电磁仿真(EMSimulation)

通信系统仿真(CommunicationSystemSimulation)、数字信号处理仿真设计（DSP）等； ADS支持射频和系统设计，可以开发所有类型的RF电路设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内外各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。26十月2022

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．2 S参数的ADS仿真原理

射频电路和微波电路在小信号工作时，其射频和微波器件工作在线性状态，可以看作是线性网络，通常采用S参数进行分析。

S参数是在入射波和反射波之间建立的一组线性关系，在射频电路中通常用来分析和描述网络的输入输出特性。S参数中的S11和S22反映了网络输入输出的驻波特性，S21反映了网络功率增益的幅频和相频特性以及群时延特性，S12反映电路的隔离性能。S参数仿真时将射频电路视为一个二端口网络，在工作点上将电路线性化，然后执行线性小信号分析，通过特定的算法分析出各种参数值。

因此，S参数仿真可以分析线性S参数，线性噪声参数，传输阻抗以及传输导纳等。。26十月2022

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．2 S参数的ADS仿真原理

其仿真功能包括：获得器件或电路的S参数，可以将该S参数转换为y参数或z参数；仿真线性噪声；仿真频率改变对小信号线性工作状态的影响；仿真功率增益的幅频、相频特性和相位群延时特性；仿真混频电路的S参数等等。

26十月2022

2．3二端口网络参数和S参数的ADS仿真原理

2．3．2 S参数的ADS仿真原理ADS中有专门针对S参数仿真的元件面板，面板中包括了所有S参数仿真需要的控件：

设置S参数仿真的频率扫描范围；仿真执行噪声参数和相关参数分析的S参数仿真控制器；S参数仿真测试平台控件(SPLab)；添加一个或多个扫描变量的参数扫描计划控制器(SweepPlan)和参数扫描控制器(ParameterPweep)；设置频率参数和频率转换、y、z和群时延参数、器件工作点状态参数、噪声参数等的S参数仿真设置控制器；

还有电压增益、功率增益、最大增益、增益稳定度、电压驻波比、增益波纹、输入导纳、输入阻抗、Smith圆图和终端负载等的控件。26十月2022工艺0.5µmGaAsFET0.8µmSiBipolarSiGe电源电压（V）3.01.92.7-5.5电源电流（mA）4.02.03.5工作频率（GHz）1.91.91.4-2.5噪声系数NF(dB)2.82.81.3增益（dB）18.19.514.4IIP3(dBm)-11.1-3-4反向隔离（dB）-21-21-30

2．4低噪声放大器的主要技术指标26十月2022功耗在保证放大器指标的前提下，适当减小偏置电流。噪声系数结论：对于无源互易网络，其损耗等于噪声系数。

（a）LC滤波器（b）RC滤波器

2．4低噪声放大器的主要技术指标26十月2022例2.4.1

图2.1.1所示为某CDMA移动台射频前端收发系统结构框图，设窄带CDMA信号带宽BN为1.23MHz，接收灵敏度S(dBm)为-117dBm，输出信噪比D为11dB。求1)窄带CDMA接收系统的噪声系数；

2)若天线开关损耗为0.5dB，收发双工器损耗为3.5dB，LNA的噪声系数控制在多少才能保证整个接收机的性能？

2．4低噪声放大器的主要技术指标26十月2022■动态范围(无失真动态范围SFDR和线性动态范围LEDR)动态范围通常定义为接收电路在能保证输出信号质量情况下，最大输入电平与最小输入电平的比值。

SFDR(dB)=Smax(dBm)-Smin(dBm)■

例2.4.2某接收机的前端LNA噪声系数NF=3dB，输入三阶互调阻断点IIP3=-20dBm，带宽B=1MHz。若要求输出信噪比D为12dB，求LNA的无失真动态范围SFDR。

2．4低噪声放大器的主要技术指标26十月2022■

增益及增益控制LNA的增益要适当。放大器的增益与晶体管跨导和负载电阻成正比。负载电阻也影响LNA的增益。在现代通信系统中的LNA增益都是可以控制的。

2．4低噪声放大器的主要技术指标26十月2022■输入输出驻波比（即LNA的匹配）

工程中常用输入输出驻波比来表征LNA输入输出回路的匹配情况的，在微波技术中驻波比ρ定义为:

把驻波比定义为在传输线上两个相邻电压波幅点和电压波节点电压值之比

LNA与信号源的匹配是非常重要的，由匹配方式决定了LNA的拓扑结构：功率匹配与噪声匹配。

2．4低噪声放大器的主要技术指标26十月2022

噪声源驱动一个含噪声的二端口网络等效噪声模型

2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．1 双端口网络噪声匹配26十月2022噪声因数F：

ic=YceN

iN=ic+iu

常数Yc称为相关导纳，它表示eN和iN之间的导纳，Yc=Gc+jBc，Gc为相关电导，Bc为相关电纳。 2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．1 双端口网络噪声匹配26十月2022，式中，RN

–

网络等效输入噪声电阻；

Gu

–

非相关分量iu电导；

Gs

–

噪声源电导；由此，噪声因数可以只用阻抗和导纳项来表示，把每个导纳Y分解成电导G和电纳B之和：

2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．1 双端口网络噪声匹配26十月2022当Bs=-Bc=Bopt时，对给定的Gs有

为得到最小的F值，令并求解Gs得

在此条件下，该二端网络的噪声因数可达到最小，即 2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．1 双端口网络噪声匹配26十月2022二端网络的实际噪声因数可以用下式来表示 2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．1 双端口网络噪声匹配说明二端口网络的噪声因数可以由Fmin、RN、Gopt和Bopt四个噪声参数来确定，由于这四个参数容易测量，噪声因数（噪声系数）的计算也就简单明了。26十月2022双极型LNA为共射组态且工作在射频段时输入阻抗为

共射LNA放大器的噪声因数为

可以得出最小噪声因数

最佳源阻抗为

2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．2 BJTLNA的匹配26十月2022例2.5.1当共射放大器的射极电流Ic=1mA,β=100,rbb’=50Ω,求最佳源阻抗Rs(opt)和最小噪声系数NF。噪声系数与源阻抗之间关系

2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．2 BJTLNA的匹配26十月2022为了达到最小噪声系数和50Ω阻抗匹配，在双极型LNA的发射极串联一个电感.输入阻抗为 2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．2 BJTLNA的匹配26十月2022与BJT管类似，对于一个MOSFET，产生最小噪声系数的信号源阻抗特性应是电感性的，且一般来说与使功率传输最大的条件无关。如果选择适当的输入导纳，使其实部为2CL/(gmCF)=50Ω就可以达到阻抗匹配的目的，但这样的拓扑结构在工作频率较高时电压增益比较低，无实用价值。 2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．3 MOS

LNA的匹配26十月2022并联共源式并－串反馈式共栅式

源极电感反馈式

LNA输入阻抗匹配的四种结构 2．5低噪声放大器的噪声匹配

2．5．3 MOS

LNA的匹配26十月2022

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．1LNA的设计原则在现代LNA的实际电路设计中，几乎都是采用ADS仿真设计，但在具体设计时必须注意如下几个问题。1、低噪声晶体管的选择。2、输入输出匹配电路设计原则。3、需要注意的其他问题4、LNA的仿真设计方法和发展水平26十月2022分析步骤：计算输入端总等效电容Ceq；把该系统单向化近似，简化为含一个电容的一阶系统；计算主极点（输入极点）的值ωP计算系统上限角频率

ωH

、共发放大器增益带宽积GBP

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．2BJTLNA和MOSLNA1、BJTLNA26十月2022主极点值为共射小信号放大电路的电压增益上限角频率输入端总等效电容为Ceq两端并联等效电阻

中频区源电压增益

2．6低噪声放大器的设计与仿真

2．6．2BJTLNA和MOSLNA26十月2022

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．2BJTLNA和MOSLNA1、BJTLNA图2.6.2

900MHz低噪声放大器26十月2022

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．2BJTLNA和MOSLNA2、MOSLNA①、单管共源MOSLNA：在MOS场效应晶体管LNA中，共源放大器可以提供较高的电压增益，并呈现较低的噪声系数和较高的输入阻抗。因此，MOSLNA普遍采用共源放大器。26十月2022

图2.6.3共源电路及密勒近似简化电路分析步骤：计算输入端等效电容Ceq、一阶系统主极点（输入极点）ωP、电路的电压增益为AUS、上限角频率ωH

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．2BJTLNA和MOSLNA2、MOSLNA26十月2022输入端等效电容主极点值为电压增益上限角频率ωH为

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．2BJTLNA和MOSLNA26十月2022

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．2BJTLNA和MOSLNA②、双管共源共栅LNA：由于场效应管的共栅极输入信号可以是电流，共源极中的场效应管可以将电压信号转换为电流信号。共源极和共栅极的级联叫作共源共栅结构(cascode)。

图2.6.4一种共源共栅极电路简化模型26十月2022

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．2BJTLNA和MOSLNA③、ADS仿真设计的共源共栅LNA：

图2.6.5宽带LNA电路结构26十月2022LNA作为宽带小信号放大器既要满足带宽要求，又要有适当电压的增益。SiGe工艺的LNA工作频率可从1.4至2.5GHz。如果单级放大器不能实现宽带放大，除了改进集成工艺外，还广泛采用组合电路的宽带放大器，以解决频带和增益的矛盾。

2．6低噪声放大器的设计与仿真

2．6．3集成LNA26十月2022

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．3集成LNA图2.6.6由单级放大器构成的LNA集成电路26十月2022

2．6 低噪声放大器的设计与仿真

2．6．3集成LNA图2.6.7

MAX2422片内功能原理框图26十月2022 2．7低噪声放大器设计举例

2．7．1BJT双管LNA单端双极型LNA当截止频率fT=5GHz，Le=1.5nH，输入阻抗的实部为26十月2022 2．7低噪声放大器设计举例

2．7．1BJT双管LNA噪声系数主要由第一级放大器决定，三极管主要参数为rbb’=11Ω，gm=0.1S，fT≈5GHz，β

=80,|β(ω)|≈5.5，噪声系数:26十月2022差分MOSLNA电路结构可以有效地减小寄生电感对电路的影响

2．7低噪声放大器设计举例

2．7．2M