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主讲:王斌wangbin1@cqupt.edu.cn光电工程学院微波电路低噪声放大器低噪声放大器(Low-NoiseAmplifier)是一种位于放大链路输入端,针对给定的增益要求,引入尽可能小的内部噪声,并在输出端获得最大可能的信噪比而设计的放大器。低噪声放大器(LNA)的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号,减少噪声干扰,以供系统解调出所需的信息数据。系统接收灵敏度计算公式3.低噪声放大器min114(/)10log()/()SdBmHzNFBWMHzSNdB低噪声放大器的主要技术指标1.噪声系数(NoiseFactor)NF为射频/微波器件的噪声系数;Sin,Nin分别为输入端的信号功率和噪声功率;Sout,Nout分别为输出端的信号功率和噪声功率。噪声系数的物理含义是,信号通过放大器之后,由于放大器产生噪声,使信噪比变坏,信噪比下降的倍数就是噪声系数。通常将噪声系数用分贝数表示3.低噪声放大器//ininoutoutSNNFSN()10lg()NFdBNF低噪声放大器的主要技术指标1.噪声系数(NoiseFactor)对于单级放大器而言,噪声系数的计算公式为NFmin为晶体管最小噪声系数,由放大器的管子本身决定;、和分别为获得NFmin时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、晶体管输入端的源反射系数。对于多级放大器而言,噪声系数的计算公式为3.低噪声放大器2min22411soptnsoptNFNFRoptnRs1213121/1/NFNFNFGNFGG低噪声放大器的主要技术指标2.放大器增益放大器输入功率与输出功率之比提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利,但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。因此,低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。一般说来,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。3.低噪声放大器outinPGP低噪声放大器的主要技术指标3.输入输出驻波比低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情况,在设计低噪声放大器的匹配电路时,输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计,为接近最佳噪声匹配网络而不是最佳功率匹配网络,而输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计。因此,低噪声放大器的输入端总是存在某种失配。这种失配在某些情况下会使系统不稳定,一般情况下,为了减小放大器输入端失配所引起的端口反射对系统的影响,可用插入损耗很小的隔离器等办法来解决。3.低噪声放大器低噪声放大器的主要技术指标4.反射系数当时,放大器的噪声系数最小此时从功率传输的角度来看,输入端是失配的,所以放大器的功率增益会降低。但实际上为了获得最小噪声,适当地牺牲一些增益是低噪声放大器设计中经常采用的一种办法。5.动态范围在低噪声放大器的设计中,应充分考虑整个接收机的动态范围,以免在接收机后级造成严重的非线性失真。3.低噪声放大器soptminNFNF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低噪声放大器的特点3.低噪声放大器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IBQ负载电阻RL输入信号为,sBEQBEvVvBEQVBQIBiCCLVRCQIBQIsv输出电流公式sBEvkTqCQvkTqSCeIeIi当smTVV26TkTVmVq晶体管可用其等效电路代替3.低噪声放大器注意:①电路中的所有参数均与工作点Q有关②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:①理解电路中各元件的物理意义②理解晶体管作为放大器的本质3.低噪声放大器晶体管作为放大器的本质一个电压控制的电流源cmbeigv放大器的输入阻抗,电阻和电容()berr()beCC放大器输出电阻(很大)or——由等效电路中的电容引起TfCgccgfmmT2)(2反向传输器件C——引起放大器不稳定——正向传输极限工作频率(特征频率)3.低噪声放大器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DSv可变电阻区很小DSv()[()]DnGSGSthDSivVv理解:)()(thGSGSnDSDVvvig①和成线性关系DiDSv电导值为GSv②此电阻受栅源电压的控制(可变电阻)恒流区——场效应管等效为一个理想的电压控制电流源3.低噪声放大器小信号等效电路2)()(21thGSGSnDVvi恒流区伏安特性为:成平方律关系转移跨导:()()2DmQnGSQGSthnDQGSigVVIv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Tf极限工作频率(特征频率)2()2mmTgSgdgSggfCCC3.低噪声放大器低噪声放大器的设计原则1)放大器中放大管的选择对微波电路中应用的低噪声放大管的主要要求是高增益和低噪声以及足够的动态范围。一般选取低噪声放大器通常可以从两方面考虑:①微波低噪声管的噪声系数足够小,工作频段足够高;②微波低噪声管要有足够高的增益和足够高的动态范围。2)输入输出匹配电路的设计原则实际设计中由于要兼顾到放大器的增益,通常不取最小噪声系数。一般将恒定增益圆与等噪声系数圆结合起来。3)电路中需要注意的问题3.低噪声放大器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:Q晶体管Q偏置电阻2bR1bReR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LRLC1TBCEC3.低噪声放大器(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①直流电源是交流地②大电容(交流旁路电容)短路③大电感(扼流圈)开路④仅做偏置用的直流电阻可不画分析电路步骤:画交流通路图的原则:3.低噪声放大器3.低噪声放大器Q完整电路①画交流图电源是交流地去掉偏置大电容短路rCmbegvor②代入晶体管等效电路设晶体管为单向传输计算增益(单向传输)rCmbegvoriVoV①对线圈部分接入进行折合电流源和接入系数mbegVor121213NnNmbegvorLR13V12mbembegVngV212/oorrn负载接入系数454513NnN245/LLRRn3.低噪声放大器②选择回路电抗元件:mbegvorLR13V谐振频率,即工作频率为01LC③回路谐振阻抗:设LC回路的空载Q为Q0回路谐振阻抗////poLRRrR00PRLQ(其中)④输出电压:回路谐振4513oVnVRVgnRVgVebmebm1213⑤电压增益4512ombeVAnngRV3.低噪声放大器1GHZCMOS低噪声放大器COCO电路结构:①场效应管M1和M2、共栅组态②接成双端输入双端输出差动放大器③输入端采用电感L1和L2组成匹配网络④输出端采用LC回路选频电感L3(L4)下级输入电容CO⑥M3交流短路(作用见后分析)⑤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3.低噪声放大器电路分析:画交流通路图(以M1为例)inVinVoutVinV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)3.低噪声放大器3.低噪声放大器(1)输入匹配网outVinV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M1M2的跨导gm,使1/gm=Rs,完成与源阻抗匹配。(2)输出回路outV电感线圈L3漏极电容Cd杂散电容C0(包括下级输入电容)并联谐振回路301()RFdLCC已知管子电容Cd和C0,得:3201RFdLCC谐振于工作频率3.低噪声放大器性能指标:(1)增益代入MOS管共栅等效电路1mggsCmgsgvdsrinRF增益管子跨导gm负载回路谐振阻抗Rpdsr设线圈L3的串联损耗电阻是r折算到输出回路并联为Rp33RFPRFLRQLr单管增益:22333()outRFvmpmmRFinVLLAgRggLVrr比值取决于电感的制作方式3Lr芯片内集成电感或外接电感3.低噪声放大器放大器总增益22outoutoutoutininininVVVVAVVVVooutoutVVV总输出inininVVV总输入差分放大器总增益与单管相同3.低噪声放大器inVoutV(2)带宽电路特点:输入并联回路选频阻抗变换输出①当两个回路Q值相同时设每个回路带宽为BW112121totalBWBW称为缩减因子。1221②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3RFTotaloutLrBWBWQL3.低噪声放大器放大器噪声源124ndmIKTgB12ndI所以等效输入噪声源BgKTIImdnn4221放大器噪声系数4114/mSKTgFKTR12ndI12ndI电路变形,将噪声源分裂成两个输出端折合到输入端:21ndI221220ndnmiIIgZ(3)放大器噪声其中是工艺参数,长沟道MOS=2/3,F=1.67,NF=2.2dB3.低噪声放大器(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3.低噪声放大器(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inVoutV3.低噪声放大器LNA设计实例的具体步骤1.直流分析2.偏置电路设计3.稳定性分析4.噪声系数圆和输入匹配5.最大增益的输出匹配6.匹配网络的实现7.版图的设计8.原理图-版图联合仿真3.低噪声放大器
本文标题:微波电路-3
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