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1、低噪声放大器,晶体管高频等效电路LNA的性能指标 LNA的分析设计,低噪声放大器的特点,位于接收机的最前端,噪声越小越好，且要求有适当的稳定的增益,接收的信号很微弱且变化,属于小信号线性放大器，线性范围大，自动增益控制,与天线或滤波器相连接,要有良好的匹配特性,具有一定的选频功能,有效抑制带外干扰和镜像频率干扰,对晶体管的描述方法,物理等效电路模型,网络参数模型,模型中的每个参数均对应一定的物理意义，与工作点有关,适用的频率范围较宽，适用于交流小信号输入,把晶体管视为一个双端口黑盒子，分析其端口参数,线性网络可以用端口参数来描述其特性，如H参数、Y参数等,适用于特定频率、线性参数，在射频与微波
2、波段，多用S参数,根据制造工艺，RF/MW有源电路可以分为：,印刷电路(PCB),混合微波集成电路(HMIC),单片微波集成电路(MMIC),在印刷电路中，元器件是被焊接到印刷板上，印刷板作为连线和支撑媒质。这种电路 成本低，多数应用于3 GHz以下。,混合MIC由分布参数电路元件和集总电路元件混合而成。混合MIC电路尺寸较PCB小，并可工作至毫米波频率。,MMIC中的所有有源和无源电路元件及其互连是在一块半导体绝缘基片上形成的。目前生产 的MMIC多数工作于0.5100 GHz的频段。单片集成技术特别适用于毫米波应用。MMIC 的优点是成本低、尺寸小、可批量生产。,低噪声放大器的指标,低噪放
3、（LNA）高频、小信号、线性、选频放大,教材表给出了两个不同工艺的低噪声放大器的指标。,分析这些指标，主要有：,低功耗,工作频率,噪声系数,增益,增益控制,输入阻抗匹配,线性范围,隔离度与稳定性,采用低电源电压，低偏置电流,与特征频率有关,用网络的等效噪声源方法进行分析,要适中,根据接收信号的强弱自动控制增益,功率匹配，噪声匹配,三阶互调截点、1dB压缩点,本振泄露,低噪声放大器的指标分析,低功耗,移动通信的必然要求,低电源电压,小的静态电流跨导,工作频率,取决于晶体管的特征频率,与工作点有关,取决于半导体工艺,噪声系数,线性网络：,共射极单管双极型晶体管：,单管共源MOS管（若仅考虑沟道噪声
4、）：,增益,增益大,可降低后级对系统噪声系数的影响,后级易产生非线性失真,增益取决于,跨导 由工作点决定,负载,控制方法：放大器工作点、负反馈量、回路Q值,增益控制,LC谐振回路 Q值、谐振阻抗,集中参数选频滤波器注意阻抗匹配,输入阻抗匹配,类型：纯电阻 宽带，有耗，噪声大纯电抗 窄带，无耗，噪声小,匹配方式：,共源(共射)方式,共栅(共基)方式,输入阻抗大，并联所需电阻即可达到匹配。但会增加噪声。,输入阻抗1/gm较小，改变偏置就可以改变gm，达到匹配。,电阻负反馈方式,电感负反馈方式,电阻串并联负反馈方式以达到阻抗匹配的目的。适用于宽带放大，但功耗大，且需要集成较多的电阻，不适合CMOS技
5、术。,源(射)极采用电感负反馈，与输入电容调谐后实现匹配，适用于窄带放大，有较好的噪声性能。,线性范围,隔离度与稳定性,取决于,器件、电路结构、阻抗变换网络,正向传输压控电流源,反向传输极间电容,引起不稳定的原因,改进措施：,中和法用中和电容抵消,失配法采用共射共基（共源共栅）组态,降低增益,(a)加中和电容,CN的一端接输出，一端接输入，由它引入的反馈来抵消晶体管内部反馈电容Cbc引起的反馈。,(b)采用共发共基(共源共栅)结构,利用共基放大器输入电阻很小的特点，作为共发放大器的负载电阻，可以大大拓展共发放大器的上限频率，同时又具备很好的电流、电压增益。,晶体管高频等效电路,射频集成电路主要
6、工艺,砷化钾 GaAs,双极 Bipolar,（一种化合半导体材料）,具有最高的工作频率：50100GHz；在超高速微电子学和光电子学中应用广泛,纯双极、BiCMOS和SiGeHBT（异质结）,三种双极工艺器件的截止频率：,CMOS,噪声低、线性好、与数字集成电路兼容，工作频率3GHz以上,双极晶体管较之CMOS晶体管的优点：,1、在相同的偏置电流下跨导大,2、有较高的增益带宽积,由于跨导与偏置电流成正比，结果：在较小的功耗下可获得大增益；提高工作频率（低于10GHz）,双极型晶体管共射小信号等效电路,共射放大器原理图,共同决定工作点Q,基极偏置VBEQ,集电极电源 VCC,决定基极偏置电流
7、IBQ,负载电阻 RL,输入信号为,输出电流公式,当,晶体管可用其等效电路代替,注意：,电路中的所有参数均与工作点Q有关,该电路是交流小信号等效电路,从两个层次上加强对等效电路的理解：,理解电路中各元件的物理意义,理解晶体管作为放大器的本质,晶体管作为放大器的本质,一个电压控制的电流源,放大器的输入阻抗，电阻和电容,放大器输出电阻（很大）,由等效电路中的电容引起,反向传输器件,引起放大器不稳定,正向传输,极限工作频率(特征频率),场效应管小信号模型,饱和区（恒流区）,可变电阻区,场效应管工作的两个区以 大小划分,可变电阻区,很小,理解：,电导值为,此电阻受栅源电压 的控制（可变电阻）,恒流区场
8、效应管等效为一个理想的电压控制电流源,小信号等效电路,恒流区伏安特性为：,成平方律关系,转移跨导：,小信号跨导与管子特性及工作点偏置有关,由等效电路中的电容引起,极限工作频率(特征频率),低噪声放大器设计,采用晶体管的等效电路模型设计、分析低噪声放大器,电路组成：晶体管、偏置、输入匹配和负载四大部分,单管小信号选频放大器典型电路：,晶体管 Q,偏置电阻,输入匹配网络,负载：选频回路,负载电阻,晶体管、负载部分接入,交流旁路电容,（2）画出放大器的交流通路图,（3）代入晶体管的小信号等效电路及参数，计算放大器的各项指标,（1）分析直流偏置，决定直流工作点，得出对应工作点的参数,分析电路步骤：,画
9、交流通路图的原则：,Q,完整电路,画交流图,电源是交流地,去掉偏置,大电容短路,计算增益（单向传输）,对线圈部分接入进行折合,电流源 和 接入系数,负载接入系数,选择回路电抗元件：,谐振频率，即工作频率为,回路谐振阻抗：,设LC回路的空载Q为Q0,回路谐振阻抗,（其中）,输出电压：,回路谐振,电压增益,低噪放回路带宽,其中(),增加稳定性抵消极间电容 的影响,添加中和电容,注意反馈的极性,1GHZ CMOS 低噪声放大器,电路结构：,场效应管M1和 M2、共栅组态,接成双端输入双端输出差动放大器,输入端采用电感L1和 L2组成匹配网络,输出端采用LC回路选频 电感L3（L4）下级输入电容CO,
10、M3 交流短路（作用见后分析）,偏置为VG（偏置电路省略），电感L1和 L2同时提供了各管子直流通路,电路分析:,画交流通路图(以M1为例）,共栅、栅源电容Cgs,漏极电容Cd（包括栅漏电容Cgd）,杂散及分布电容 CP,杂散电容C0（包括下级混频器的输入电容）,（1）输入匹配网,外接电感线圈 L1,栅源电容Cgs,杂散及分布电容CP,并联回路,谐振频率工作频率1GHz,回路谐振阻抗,共栅极输入阻抗为1/gm,调节匹配方法：,调节M1和M2 的偏置电压VG 改变 M1 M2 的跨导 gm，使1/gm=Rs，完成与源阻抗匹配。,（2）输出回路,电感线圈L3,漏极电容Cd,杂散电容C0（包括下级输
11、入电容）,并联谐振回路,已知管子电容Cd和C0，得：,谐振于工作频率,性能指标:,(1)增益,代入MOS管共栅等效电路,增益,管子跨导gm,负载,回路谐振阻抗Rp,设线圈L3 的串联损耗电阻是r,折算到输出回路并联为Rp,单管增益：,比值 取决于电感的制作方式,芯片内集成电感或外接电感,放大器总增益,总输出,总输入,差分放大器总增益与单管相同,（2）带宽,电路特点：,输入,并联回路,选频,阻抗变换,输出,当两个回路Q值相同时,设每个回路带宽为BW1,称 为缩减因子。,当两回路 Q相差很大时,带宽取决于 高Q回路输出回路Q值高,放大器噪声源,所以等效输入噪声源,放大器噪声系数,电路变形，将噪声源
12、分裂成两个,输出端 折合到输入端：,（3）放大器噪声,其中g是工艺参数，长沟道MOS g=2/3,F=1.67,NF=2.2dB,（4）线性度,差动输入方式输入信号动态范围大于单管,差动输出方式,输出电流是M1和M2的输出电流之差,抵消非线性失真的偶次谐波,扩大了线性范围,（6）输出电平调节,目的：与后级直流一致,M3工作在可变电阻区,调节M3 的栅极偏压VC,改变了M3等效电阻,改变了输出直流电平,（5）隔离增强稳定性,不稳定原因极间电容,共栅组态Cds 可忽略,1.9 GHZ CMOS 低噪声放大器,电路结构：,负载用L3与下级输入电容组成并联回路,有源偏置,对称双端输入双端输出差分形式,
13、共源共栅级连电路,输入回路串联电感,源极电感负反馈,电路分析:,（1）偏置电路,M3与M1组成镜象电流源,M3的电流,电阻Rref,M3的偏压VGS,电源电压VDD,电阻RBLAS阻止M3 的噪声进入M1,（2）输入阻抗匹配,代入场效应管等效电路的输入级,输入电路,输入回路方程,输入阻抗,调谐输入回路串联谐振于工作频率,为与源阻抗共轭匹配，令,Qin为输入回路的有载Q,（3）噪声,仅考虑由场效应管M1的沟道电阻噪声,（5）线性,双端输入和输出差分对结构,源极采用电感L2负反馈阻抗,扩大线性范围,（6）隔离,共源共栅接连组态失配法，提供了最佳的输出输入间的隔离度，减少了极间电容Cgd影响,（4）
14、增益,共源共栅级连、负载LC回路,低噪声实现的基本思想,采用单管单级放大，以减小有源器件引入的噪声；,匹配网络宜用电感负反馈，而不宜用电阻反馈；,当需要超低噪声时，偏置电路采用扼流圈，而不采用电阻或有源器件。,低噪声放大器设计的基本特点,选择合适的电路结构,配置相应的偏置电路,增益与频率特性,输入输出阻抗匹配,采用共源共栅(共发共基)电路增大输入输出隔离度；,采用双端输入输出改善线性度。,综合考虑噪声系数、失真、功耗、阻抗匹配等要求，选择偏置电路的结构和静态工作点。,根据估算与仿真结果进行优化。,采用合适的阻抗匹配网络。,S 参数,对S参数的理解:,线性网络的端口参数 一个线性网络的特性,常用
15、其端口参数来描述,不必知道网络内部构。在射频和微波段用得最多的是S参数。S参数也称为散射参数。,在电子系统中，有两个分量：入射波和反射波 S参数是基于端口的入射波和反射波之间关系的参数。,不同的频率、不同的工作条件数值不同,适用与射频和微波频段,单端口网络,反射系数的定义,电压驻波比的定义,回波损耗的定义,双端口网络S参数,S参数方程：,反射电压V1r,端口1的入射波V1i在端口1的反射,端口2的入射波V2i经过网络的反向传输,端口2的入射波V2i在端口2的反射,反射电压V2r,端口1的入射波V1i经过网络的正向传输,S11,S12,S22,S21,S参数的求解,S参数方程：,是当输入端口1匹
16、配时，输出口2的反射系数,是输出端口2与负载匹配时，输入口1的反射系数,S参数方程：,是当输出端口2匹配时，输入向输出的正向传输,是当输入端口1匹配时，输出向输入的反向传输,强调：S 参数均是在特定条件（端口匹配）下测得的网络参数,问题:当网络端口不匹配时，端口的反射系数如何？,对网络是入射波 V1i 对负载ZL是反射波,对网络是反射波 V2r 对负载ZL是入射波,在输出端口,定义四个反射系数,负载端,输出端,输入端,源端,反射系数与S参数的关系,S参数方程：,根据负载反射系数定义，有,将此式代入双端口网络的S参数方程，消去方程组中的V2r,输出端反射系数,输入端反馈系数,反射系数的理解,输入
17、端反馈系数,还与网络所接负载有关（条件S12 0）,不仅与网络S参数有关,当负载端匹配，即L=0 时，,当S12=0（网络仅有单向传输）时，,输出端反射系数,双端口网络的输入阻抗,端口1的输入阻抗：,端口的电压驻波比也衡量了该端口的输入阻抗与参考阻抗的关系,同时有：,结论：,同一端口的输入阻抗和反射系数可以互相表示,反射系数表示了该端口的输入阻抗与参考阻抗Z0的失配程度,用 S 参数设计放大器,参数设计方法是将晶体管看作是一个黑匣子,只知道它的端口参数,而从系统或网络的角度出发来设计放大器.,S参数与功率传输,以特性阻抗Z0为参考，各端口的阻抗和反射系数可相互表示,信号源端,网络输入端,输出负
18、载端,网络输出端,信号源电动势的有效值为Vs，V1网络输入端电压，Zin为输入阻抗,网络输入功率为:,由:,代入后得:,同理，负载阻抗上得到的功率为,由:,以及,代入即得,功率增益的定义,工作功率增益：,定义：网络的输入输出端为任意阻抗值时，负载得到的实际功率与输入网络的实际功率之比,变换功率增益：,定义：当放大器输入端与源共轭匹配，负载所得功率与该资用功率之比为变换器功率增益,输入端与源共轭匹配，即：,或,信号源输入放大器的功率最大（资用功率，available power）为,变换器功率增益，为：,单向变换功率增益：,当网络的反向传输为0或很小可忽略时，网络为单向传输，此时，网络的变换器功
19、率增益为单向变换器功率增益,网络为单向传输，此时：,单向变换器功率增益，为：,资用功率增益：,定义：当放大器输出端也达到共轭匹配，负载所得最大功率与输入资用功率之比为资用功率增益,网络输入、输出端均匹配时的增益,因,放大器的稳定性,什么样的系统是稳定的？,对于放大器，共有4个反射系数，只有当这4个反射系数的模均小于1时，才是稳定的。即须满足：,以及,放大器的稳定性有2种情况,无条件稳定：,条件稳定：,对于任何无源匹配网络，只要,晶体管就一定有,和,-无条件稳定放大器,只能对某些条件下的 和，放大器才是稳定的-条件稳定放大器,无条件稳定的条件,构成放大器的晶体管，当满足：,以及,Rollett因
20、数,稳定性判定圆,现令 作为稳定与不稳定的边界条件。,则稳定条件方程可转化为复数反射系数平面的圆方程：,其中,问题在于稳定区是 的圆内还是圆外,输出圆的稳定与不稳定区,输入圆的稳定与不稳定区,如果大圆半径较|CL|或|CS|大，即输入输出稳定圆的圆心落在大圆内时，判断其稳定性要小心，下图表示当|S11|CS|两种情况的稳定与不稳定区。,对于任何无源匹配网络，只要,晶体管就一定有,和,-无条件稳定放大器,所有负载和源，其绝对稳定条件可表示为：,对于,因此，绝对稳定的必要充分条件为：,以及,Rollett因数,求双极结晶体管（Philips BFG505W）的稳定区。工作条件为VCE=6 V，IC
21、=4 mA。S参数与工作频率的对应关系入下表所示：,放大器的稳定措施,非稳定状态为：,即：,或：,稳定状态为：,或：,非稳定状态为：,稳定状态为：,按照增益要求设计放大器,在单向传输且无条件稳定的条件下：|S12|=0,当晶体管与输入、输出网络之间达到共轭匹配，即：,此时，输入、输出匹配网络的增益达到最大值：,特别对于|S12|=0，且|S11|1，|S22|1的单向、无条件稳定晶体管，由于,则,定义源端归一化功率增益因素gs为,可以证明，当gs保持恒定时，上面的方程表示一族圆，其圆心离圆图中心的距离ds，半径rs分别为,对于给定工作条件的一个放大器，产生恒定增益所对应的阻抗在圆图中的轨迹称为恒定增益圆。,同理，可以定义负载端归一化功率增益因数gL及其恒定增益圆，只要把S11用S22置换即可。,例,单向传输品质因子,在|S12|0时，放大器增益为GT，与单向传输有误差。,单向传输输入输出端口均匹配时，单向增益最大，与GT误差最大：,双共轭匹配设计,在|S12|0时，,输入输出端口均匹配时：,稳定系数,其中：,最佳噪声匹配,噪声系数可以用最小噪声表示为:,是双端口归一化噪声电阻；,其中：,是实际源导纳；,是最小噪声系数时的最佳源导纳。,根据反射系数与阻抗的关系：,恒定噪声系数圆,则有：,定义：,噪声系数,整理得：,上式表示一簇N圆恒定噪声系数圆，其圆心位置和半径分别为：,例,
