第2章低噪声放大器教学课件.ppt（33页）

1、第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器2 21 1 引言引言2 22 2 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型2 23 3 LNA LNA主要指标主要指标2 24 4 单管低噪声放大器单管低噪声放大器2 25 5 集成宽带低噪声放大器集成宽带低噪声放大器2 26 6 LNA LNA的噪声匹配的噪声匹配2 27 7 LNA设计举例设计举例第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器 2 21 1 引言引言低噪声放大器在接收通道中的作用与位置低噪声放大器在接收通道中的作用与位置某某CDMA移动台射频前端收发系统结构框图移动台射频前端收发系统结构框图第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器 LNA的主要特点的

2、主要特点1、要求、要求LNA有较低的噪声系数有较低的噪声系数 2、要求、要求LNA有一定的功率增益有一定的功率增益 3、要求、要求LNA具有足够的线性范围具有足够的线性范围 4、LNA的匹配问题的匹配问题 21 引言引言第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器主要参数：主要参数：发射结的结电阻发射结的结电阻rbe、发射结电容、发射结电容 Cbe、集电结电容、集电结电容 Cbc 基极电阻基极电阻rbb、gmUbe、特征频率、特征频率fT.22 晶体管高频小信号模型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双极型晶体管共射小信号等效模型第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器 主要参数：主要参

3、数：跨导跨导gm、输出电阻、输出电阻rds、栅源极间和栅漏极间电容、栅源极间和栅漏极间电容Cgs和和Cgd、漏源极间电容漏源极间电容Cds、最高工作频率、最高工作频率fm 22 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型222场效应管小信号模型场效应管小信号模型第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器1、功耗、功耗 在保证放大器指标的前提下，适当减小偏置电流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、噪声系数 结论：对于无源互易网络，其损耗等于噪声系数结论：对于无源互易网络，其损耗等于噪声系数（a）LC滤波器（滤波器（b）RC滤波器滤波器 23 LNA主要指标主要指标第第2章章 低噪声放

4、大器低噪声放大器 例例1 某某CDMA移动台射频前端收发系统，其信号带移动台射频前端收发系统，其信号带宽宽BN为为1.23MHz，接收灵敏度，接收灵敏度S(dBm)为为-117dBm，输出信噪比输出信噪比D为为11dB。求求 1)接收系统的噪声系数；接收系统的噪声系数；2)若天线开关若天线开关损耗为损耗为0.5dB，收发双工器，收发双工器损耗为损耗为 3.5dB，LNA的噪声系数控制在多少才能保证整个的噪声系数控制在多少才能保证整个接收机的性能？接收机的性能？23 LNA主要指标主要指标第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器()()17410lgdBmmNFdBSdBBND()()617410l

5、g117 174 10lg1.23 10117.1FdBmmNdBNSdBBDdB()()()7.1 0.5 3.53.1FFFFNLNANNNdB天线双工第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器3、动态范围、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质量情况下，最大输入电平与最小输入电平的比值。值。SFDR(dB)=Smax(dBm)-Smin(dBm)例例2.3.2某接收机的前端某接收机的前端LNA噪声系数噪声系数NF=3dB，输入三阶互调阻断点输入三阶互调阻断点IIP3=-20dBm，带宽，带宽B=

6、1MHz。若要求输出信噪比。若要求输出信噪比D为为12dB，求求LNA的无失真动态范围的无失真动态范围SFDR。23 LNA主要指标主要指标第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器4、LNA的匹配的匹配 LNA与信号源的匹配是非常重要的，由匹与信号源的匹配是非常重要的，由匹配方式决定了配方式决定了LNA的拓扑结构：功率匹配的拓扑结构：功率匹配与噪声匹配。与噪声匹配。5、增益及增益控制、增益及增益控制6、线性度、线性度 LNA输入信号动态范围可以用线性动态范输入信号动态范围可以用线性动态范围围IERD表示表示 定义为：定义为：1dB压缩点电平与灵敏度之比压缩点电平与灵敏度之比 (两个参数分贝之差两个

7、参数分贝之差)23 LNA主要指标主要指标第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器分析步骤：分析步骤：计算输入端总等效电容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；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）的值计算主极点（输入极点）的值P计算系统上限角频率计算系统上限角频率 H、共发放大器增益带宽积共发放大器增益带宽积GBP 24 单管低噪声放大器单管低噪声放大器 241双极型三极管共射极高频小信号电路分析双极型三极管共射极高频小信号电路分析第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器ebebebcbLmeqDCCCCRgC1 主极点值为主极点

8、值为eqeqpCR1eqeqIpIsoutusCsRAsAsUsUsA1/1)()()(.ebbbsLIrrRRA ebbbsbbsebebbbseqrrRrRrrrRR)(/)(ebebbbsebbbseqeqpHDCrrRrrRCR)(1 共射小信号放大电路的电压增益共射小信号放大电路的电压增益 上限角频率上限角频率输入端总等效电容为输入端总等效电容为Ceq两端并联等效电阻两端并联等效电阻 中频区源电压增益中频区源电压增益 24 单管低噪声放大器单管低噪声放大器 241双极型三极管共射极高频小信号电路分析双极型三极管共射极高频小信号电路分析第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器 共源电路及密

9、勒近似简化电路共源电路及密勒近似简化电路分析步骤：分析步骤：计算输入端等效电容计算输入端等效电容Ceq、一阶系统主极点（输入极一阶系统主极点（输入极点）点）P P、电路的电压增益为电路的电压增益为AUS、上限角频率上限角频率 H H 24 单管低噪声放大器单管低噪声放大器 242场效应管共源极高频小信号电路分析场效应管共源极高频小信号电路分析第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器gsgsDmgsgdgdDmgsgdDmgseqDCCRgCCCRgCCRgCC)1()1(eqSpCR1gsSDmeqSIpIsoutusDCsRRgCsRAsAsUsUsA11/1)()()(gsseqSpHDCRC

10、R11输入端等效电容输入端等效电容 主极点值为主极点值为 电压增益电压增益 上限角频率上限角频率H为为 24 单管低噪声放大器单管低噪声放大器 242场效应管共源极高频小信号电路分析场效应管共源极高频小信号电路分析第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器共源共源LNA放大电路放大电路 共栅共栅LNA放大电路放大电路 24 单管低噪声放大器单管低噪声放大器 242场效应管共源极高频小信号电路分析场效应管共源极高频小信号电路分析第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器1)双极型晶体管组合电路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。利用共组合电路的上限频率主要取决于共发电路。利用共 基电

11、路输入阻抗低的特性，将它作为共发电路的负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。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集成宽带低噪声放大器251组合组合LNA电路电路第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器 由场效应管构成的共源共栅极放大器可以有效地提高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极放大器的工作速率，为共源极提供很高的应提高共栅极放大器的工作速率，为共源极提供很高的输入阻抗。输入阻抗。2)场效应

12、管共源共栅电路场效应管共源共栅电路 25 集成宽带低噪声放大器集成宽带低噪声放大器251组合组合LNA电路电路第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器 25 集成宽带低噪声放大器集成宽带低噪声放大器252集成集成LNA电路电路第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器双端口网络噪声匹配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噪声源驱动一个含噪声的二端口网络 等效噪声模型等效噪声模型*26 LNA的噪声匹配的噪声匹配第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器噪声系数噪声系数F：2222222|1)(sNscusNscusieYYiieYYiiF ic=YceN iN=ic+iu 常数常数Yc称为称为

13、相关导纳相关导纳，它表示，它表示eN和和iN之间的导纳，之间的导纳，Yc=Gc+jBc，Gc为为相关电导相关电导，Bc为为相关电纳相关电纳。26 LNA的噪声匹配的噪声匹配261双端口网络噪声匹配双端口网络噪声匹配第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器kTBeRsN42 kTBiGuu42 kTBiGss42 sNscscusNscuGRBBGGGGRYYGF)()(1|1222 ，式中，式中，RN 网络等效输入噪声电阻；网络等效输入噪声电阻；Gu 非相关分量非相关分量iu电导；电导；Gs 噪声源电导；噪声源电导；由此，噪声因数可以只用阻抗和导纳项来表示，把由此，噪声因数可以只用阻抗和导纳项来表

14、示，把每个导纳每个导纳Y分解成电导分解成电导G和电纳和电纳B之和：之和：26 LNA的噪声匹配的噪声匹配261双端口网络噪声匹配双端口网络噪声匹配第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器sNscuGRGGGF2)(1 0 csBBsGFNucoptsRGGGG 2当当Bs=-Bc=Bopt时，对给定的时，对给定的Gs有有 为得到最小的为得到最小的F值，令值，令并求解并求解Gs得得 至此，得出结论：为了使噪声因数最小，应该使至此，得出结论：为了使噪声因数最小，应该使噪声源导纳噪声源导纳YS中的电纳中的电纳Bs等于相关导纳等于相关导纳Yc中相关中相关电纳电纳Bc的负值，即这两个导纳为复共轭，相关最佳信

15、号源的负值，即这两个导纳为复共轭，相关最佳信号源电导如式（电导如式（2.6.7）中所示。中所示。26 LNA的噪声匹配的噪声匹配261双端口网络噪声匹配双端口网络噪声匹配第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器双极型双极型LNA为共射组态且工作在射频段时输入阻抗为为共射组态且工作在射频段时输入阻抗为 ebbbinCjrZ1 2211SmSmSbbRgRgRrF 211minbbmrgF mbbmoptSgrgR)21()(共射共射LNA放大器的噪声因数为放大器的噪声因数为 可以得出可以得出最小噪声因数最小噪声因数 最佳源阻抗最佳源阻抗为为 26 LNA的噪声匹配的噪声匹配262双极型双极型LNA的

16、匹配的匹配第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器 例例2.6.1 当共射放大器的射极电流当共射放大器的射极电流Ic=1mA,=100,rbb=50,求最佳源阻抗求最佳源阻抗Rs(opt)和最小噪声系数和最小噪声系数NF。噪声系数与源阻抗之间关系噪声系数与源阻抗之间关系 26 LNA的噪声匹配的噪声匹配262双极型双极型LNA的匹配的匹配第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器 为了达到最小噪声系数和为了达到最小噪声系数和50阻抗匹配，在双极阻抗匹配，在双极型型LNA的发射极串联一个电感的发射极串联一个电感.输入阻抗为输入阻抗为 ebeebembbinsCsLCLgrZ1 26 LNA的噪声匹配的噪声

17、匹配262双极型双极型LNA的匹配的匹配第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器 与与BJT管类似，对于一个管类似，对于一个MOSFET，产生最小噪，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。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，无实扑结构在工作频率较高时电压增益比较低，无实用价值。用价值。26 LNA的噪声匹配的噪声匹

18、配263MOSLNA的匹配的匹配第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器并联共源式并联共源式并串反馈式并串反馈式共栅式共栅式 源极电感反馈式源极电感反馈式 LNA输入阻抗匹配的四种结构输入阻抗匹配的四种结构26 LNA的噪声匹配的噪声匹配263MOSLNA的匹配的匹配第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器27 LNA设计举例设计举例271双极型双极型LNA单端双极型单端双极型LNA当截止频率当截止频率fT=5 GHz，Le=1.5 nH，输入阻抗的实部为，输入阻抗的实部为472)(eTeTeTeiLfLLjjZjZ第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器差分差分MOS LNA电路结构可以有电路结构可以有

19、效地减小寄生电效地减小寄生电感对电路的影响感对电路的影响 27 LNA设计举例设计举例271差分差分MOS LNA 第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器本章要点本章要点1、晶体管高频小信号模型，、晶体管高频小信号模型，LNA的主要指标，噪的主要指标，噪声系数和动态范围，包括基底噪声的计算，声系数和动态范围，包括基底噪声的计算，NFt与与灵敏度灵敏度S(dBm)的关系，动态范围的关系，动态范围SFDR和和IEDR的的计算；计算；BJT和和FET放大电路的分析。放大电路的分析。2、集成宽带放大器原理，、集成宽带放大器原理，BJT组合放大电路的高频组合放大电路的高频特点，特点，FET共源共栅放大电路特点，以及集成共源共栅放大电路特点，以及集成LNA的电路结构。的电路结构。*3、LNA的噪声匹配原理，使得噪声因数最小的匹的噪声匹配原理，使得噪声因数最小的匹配原则是配原则是Bs=-Bc，最小噪声因数，最小噪声因数Fmin和最佳源阻和最佳源阻抗抗Rs(opt)的计算方法。的计算方法。MOSLNA的四种输入匹配的四种输入匹配电路结构的特点，电路结构的特点，LNA的电路结构设计及电路结的电路结构设计及电路结构特点。构特点。结束结束谢谢谢谢!第第2章章 低噪声放大器低噪声放大器谢谢