第2章低噪声放大器.ppt

1、2020年7月29日星期三,通信电子线路(第 2 版),顾宝良 编著,2020年7月29日星期三,21 引言 22 晶体管高频小信号模型 23 LNA主要指标 24 单管低噪声放大器 25 集成宽带低噪声放大器 26 LNA的噪声匹配 27 LNA设计举例,2020年7月29日星期三,21 引言,低噪声放大器在接收通道中的作用与位置,某CDMA移动台射频前端收发系统结构框图,2020年7月29日星期三,LNA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,21 引言,2020年7月29日星期三,主要参数： 发射

2、结的结电阻rbe、发射结电容 Cbe、集电结电容 Cbc 基极电阻rbb 、 gmUbe 、特征频率fT .,22 晶体管高频小信号模型22双极型晶体管共射小信号等效模型,2020年7月29日星期三,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,22 晶体管高频小信号模型222场效应管小信号模型,2020年7月29日星期三,1、功耗 在保证放大器指标的前提下，适当减小偏置电流 2、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,23 LNA主要指标,2020年7月29日星期三,例1 某C

3、DMA移动台射频前端收发系统，其信号带宽BN为1.23MHz，接收灵敏度S(dBm)为-117dBm，输出信噪比D为11dB。 求 1) 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？,23 LNA主要指标,2020年7月29日星期三,2020年7月29日星期三,3、动态范围 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2.3.2某接收机的前端LNA噪声系数NF=3dB，输入三阶互调阻断

4、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。,23 LNA主要指标,2020年7月29日星期三,4、LNA的匹配 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。 5、增益及增益控制 6、线性度 LNA输入信号动态范围可以用线性动态范围IERD表示 定义为：1dB压缩点电平与灵敏度之比 (两个参数分贝之差),23 LNA主要指标,2020年7月29日星期三,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P 计算

5、系统上限角频率 H 、共发放大器增益带宽积GBP,24单管低噪声放大器 241双极型三极管共射极高频小信号电路分析,2020年7月29日星期三,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,24单管低噪声放大器 241双极型三极管共射极高频小信号电路分析,2020年7月29日星期三,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）P、电路的电压增益为AUS、上限角频率H,24单管低噪声放大器 242场效应管共源极高频小信号电路分析,2020年7月29日星期三,输入端等效电容,主极点

6、值为,电压增益,上限角频率H为,24单管低噪声放大器 242场效应管共源极高频小信号电路分析,2020年7月29日星期三,共源LNA放大电路,共栅LNA放大电路,24单管低噪声放大器 242场效应管共源极高频小信号电路分析,2020年7月29日星期三,1) 双极型晶体管组合电路, 组合电路的上限频率主要取决于共发电路。利用共 基电路输入阻抗低的特性，将它作为共发电路的负 载，就可有效地克服共发电路中的密勒倍增效应。,25集成宽带低噪声放大器251组合LNA电路,2020年7月29日星期三, 由场效应管构成的共源共栅极放大器可以有效地提高电压增益和提高电流源的输出阻抗，并通过抑制密勒效应提高共栅

7、极放大器的工作速率，为共源极提供很高的输入阻抗。,2)场效应管共源共栅电路,25集成宽带低噪声放大器251组合LNA电路,2020年7月29日星期三,25集成宽带低噪声放大器252集成LNA电路,2020年7月29日星期三,双端口网络噪声匹配,噪声源驱动一个含噪声的二端口网络 等效噪声模型,*26 LNA的噪声匹配,2020年7月29日星期三,噪声系数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。,26 LNA的噪声匹配261双端口网络噪声匹配,2020年7月29日星期三,，,

8、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：,26 LNA的噪声匹配261双端口网络噪声匹配,2020年7月29日星期三,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,至此，得出结论：为了使噪声因数最小，应该使噪声源导纳YS中的电纳Bs等于相关导纳Yc中相关电纳Bc的负值，即这两个导纳为复共轭，相关最佳信号源电导如式（2.6.7）中所示。,26 LNA的噪声匹配261双端口网络噪声匹配,2020年7月29日星期三,双极型LNA为共射

9、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,26 LNA的噪声匹配262双极型LNA的匹配,2020年7月29日星期三,例2.6.1 当共射放大器的射极电流Ic = 1mA, = 100, rbb = 50,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,26 LNA的噪声匹配262双极型LNA的匹配,2020年7月29日星期三,为了达到最小噪声系数和50阻抗匹配，在双极型LNA的发射极串联一个电感 .,输入阻抗为,26 LNA的噪声匹配262双极型LNA的匹配,2020年7月29日星期三,与BJT管类似，对于一个

10、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) = 50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。,26 LNA的噪声匹配263MOSLNA的匹配,2020年7月29日星期三,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,26 LNA的噪声匹配263MOSLNA的匹配,2020年7月29日星期三,27 LNA设计举例271双极型LNA,单端双极型LNA,当截止频率fT = 5 GHz，Le = 1.5 nH，输入阻抗的实部为,2020年7月29日星期三,差分MOS LNA电路结构可以有效地减小寄生电感对电路的影响,27 LNA设计举例271差分MOS LNA,2020年7月29日星期三,本章要点,1、晶体管高频小信号模型，LNA的主要指标，噪声系数和动态范围，包括基底噪声的计算，NFt与灵敏度S(dBm)的关系，动态范围SFDR和IEDR的计算；BJT和FET放大电路的分析。 2、集成宽带放大器原理