射频电路第五章低噪声放大器

2010-9-16《高频电子线路》1/32第五章低噪声放大器5.1低噪声放大器指标5.2晶体管高频等效电路5.2.1双极型晶体管共射小信号等效电路5.2.2场效应管小信号模型5.3低噪声放大器设计2010-9-16《高频电子线路》2/32IFωIFω射频发射机和接收机2010-9-16《高频电子线路》3/32第五章低噪声放大器特点:1.位于接收机的昀前端噪声越小越好要求有适当的稳定的增益2.接收的信号很微弱且变化小信号线性放大器线性动态范围大增益自动控制3.通过传输线直接和天线或天线滤波器相连——匹配4.应具有选频功能，抑制带外和镜象频率干扰——频带放大器2010-9-16《高频电子线路》4/32描述晶体管的两种模型特点：模型中的每个参数均对应一定的物理意义适用的频率范围较宽举例：混合型模型π1.物理模型——等效电路模型2.网络模型特点：把晶体管视为一个双端口黑盒子，分析其端口参数适用于特定频率、线性参数举例：S参数注意：应用不同的模型，分析设计低噪放的方法不同本章重点——用晶体管的混合型模型分析、设计低噪放π2010-9-16《高频电子线路》5/325.1低噪声放大器指标指标0.5μmGaAsFET0.8μmSiBipolar电源电压3.0V1.9V电源电流4.0mA2.0mA频率1.9GHZ1.9GHZ噪声系数NF2.8dB2.8dB增益Gain18.1dB9.5dBIIP3－11.1dBm－3dBmInputVSWR1.51.2OutputVSWR3.11.4隔离21dB21dB低噪放（LNA）——高频、小信号、线性、选频放大器2010-9-16《高频电子线路》6/32低噪放（LNA）指标分析（1）低功耗——移动通信的必然要求（2）工作频率——取决于晶体管的特征频率TfπμπππCgccgfmmT2)(2≈+=与工作点有关取决于半导体工艺低电源电压小的静态电流——跨导小mg2010-9-16《高频电子线路》7/32（3）噪声系数双极晶体管''1111222bbmSbbmSmSrgRrFRsgRRsgRβ=+++≈++SnSnRKTBIKTBRVF/44122++=线性网络：场效应管mSgRF111γ+=②双极晶体管放大器的噪声与基区体电阻有关bbr’①放大器的噪声与工作点有关——mg③放大器噪声系数与信号源内阻有关分析：2010-9-16《高频电子线路》8/32（4）增益增益要适中增益大——可降低后级对系统噪声系数的影响增益小——后级易产生失真增益取决于mg跨导——由工作点决定负载LNA的负载形式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（5）自动增益控制根据接收信号的强弱自动控制增益信号弱，增益大信号强，增益小，以防后级非线性失真2010-9-16《高频电子线路》9/32（6）输入阻抗匹配放大器与输入源的匹配昀大功率传输——共轭匹配噪声系数昀小——噪声匹配匹配方式a.共源组态输入阻抗很大并联电阻等于信号源内阻1mg≈b.共栅组态输入阻抗改变达匹配mgc.电阻负反馈改变输入阻抗d.电感负反馈改变输入阻抗2010-9-16《高频电子线路》10/32（7）线性范围衡量指标：三阶互调截点IIP3、增益1dB压缩点（8）隔离度和稳定性不稳定的原因改进措施正向传输——压控电流源mbegv′反向传输——极间电容()bcCCμ′①加反馈（中和电路），抵消由引起的反向传输()bcCCμ′I′′②采用共射共基（共源共栅）组合连接2010-9-16《高频电子线路》11/325.2晶体管高频等效电路射频集成电路主要工艺双极（Bipolar）砷化钾GaAs——昀高频率达到50~100GHz超高速微电子学和光电子学CMOS——噪声低、线性好、与数字集成电路兼容3GHz以上Tf工艺技术截止频率(GHZ)Bipolar25–50BiCMOS10–20SiGeHBT40-802010-9-16《高频电子线路》12/32共射放大器原理图BiBQIBEQV基极偏置VBEQ决定基极偏置电流IBQ集电极电源VCC负载电阻RL共同决定工作点QBQICQICCLVR输入信号为,svsBEQBEvVv+=SBEqvqvkTkTCSCQiIeIe==输出电流公式mVqkTVT26≈=当()时smTVV晶体管线性应用，可用其等效电路代替5.2.1双极型晶体管共射小信号等效电路2010-9-16《高频电子线路》13/32混合型等效电路π①理解电路中各元件的物理意义从两个层次上加强对等效电路的理解②理解晶体管作为放大器的本质注意两点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2010-9-16《高频电子线路》14/32一个电压控制的电流源——正向传输cmbeigv′=放大器的输入阻抗，电阻和电容()berrπ′()beCCπ′放大器输出电阻（很大）orce反向传输器件Cμ引起放大器不稳定极限工作频率－－由等效电路中的电容引起Tf2010-9-16《高频电子线路》15/325.2.2场效应管小信号模型场效应管工作的两个区——以大小划分DSv饱和区（恒流区）可变电阻区])[()(DSthGSGSnDvVvi−=β可变电阻区特性（很小）DSv理解：)()(thGSGSnDSDVvvig−==β①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2010-9-16《高频电子线路》16/32恒流区特性2)()(21thGSGSnDVvi−=β伏安特性为：DiGSv～成平方律关系()()2DmQnGSQGSthnDQGSigVVIvββ∂==−=∂转移跨导（对的控制能力）GSvDi小信号跨导与管子特性及工作点偏置有关小信号等效电路正向传输电压控制电流源输入阻抗呈容性输出电阻很大反馈电容引起不稳定极限工作频率－－由等效电路中的电容引起Tf2010-9-16《高频电子线路》17/325.3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典型电路Q晶体管Q偏置电阻、、1bR2bReR输入匹配网络1T负载：选频回路LC交流旁路电容、ECBC负载电阻LR晶体管、负载部分接入2010-9-16《高频电子线路》18/32分析电路步骤（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，计算放大器的各项指标（1）分析直流偏置，决定直流工作点画交流通路图的原则：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去除2010-9-16《高频电子线路》19/32Q完整电路画交流图电源是交流地去掉偏置rπCπmbegv′or大电容短路代入晶体管等效电路设晶体管为单向传输2010-9-16《高频电子线路》20/32rπCπmbegv′oriVoV计算增益①线圈部分接入折合mbegv′′or′oV电流源和接入系数mbegV′or121213NnN=12mbembegVngV′′′=212/oorrn′=负载接入系数454513NnN=mbegv′′or′LR′13V245/LLRRn′=2010-9-16《高频电子线路》21/32mbegv′′or′LR′13V01LCω=回路谐振，低噪放工作频率为0ω设LC回路的空载Q为Q0回路谐振阻抗////poLRRrRΣ′′=00PRLQω=（其中）②选择回路电抗：③回路谐振阻抗④输出电压1312mbembeVgVRngVR′′ΣΣ′=−=−4513oVnV=⑤电压增益4512ombeVAnngRVΣ′==−低噪放回路带宽0efBWQ=其中()0eRQLωΣ=2010-9-16《高频电子线路》22/32inV−inV+例5.3.11GHZCMOS低噪声放大器1.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输入端采用电感和组成匹配网络1L2L④输出端采用LC回路选频电感（），下级输入电容3L4L⑤偏置为（偏置电路省略），电感和同时提供了各管子直流通路GV1L2L⑥M3交流短路（作用见后分析）2010-9-16《高频电子线路》23/32inV+inV−电路分析画交流通路图(以M1为例）共栅、栅源电容gSC漏极电容（包括栅漏电容）dCgdC杂散及分布电容CP杂散电容（包括下级混频器的输入电容）0CoutV+inV+2010-9-16《高频电子线路》24/32（1）输入匹配网络外接电感线圈L1栅源电容gSC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mg1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=，完成与源阻抗匹配。mg1SR2010-9-16《高频电子线路》25/32outV+（2）输出回路电感线圈L3漏极电容dC杂散电容（包括下级输入电容）0C并联谐振回路，谐振于工作频率。)(103ccLdRF+=ω()3201RFdLccω=+dC0C已知管子电容和，得：2010-9-16《高频电子线路》26/321mggsCmsggv代入MOS管共栅等效电路dsrinRF+inV+outV+2.性能指标(1)增益增益管子跨导负载dsr→∞回路谐振阻抗PRmg33RFPRFLRQLrωρω==×设线圈L3的串联损耗电阻是r单管增益：22333()outRFvmpmmRFinVLLAgRggLVrrωω++====比值取决于电感的制作方式3Lr外接电感芯片内集成电感2010-9-16《高频电子线路》27/32放大器总增益22outoutoutoutininininVVVVAVVVV+−++Σ+−++−===−ooutoutVVV+−=−总输出inininVVV+−=−总输入inV−inV+差分放大器总增益与单管相同2010-9-16《高频电子线路》28/32（2）带宽①当两个回路Q值相同时电路特点：输入输出并联回路选频阻抗变换带宽？——由两个回路共同决定设每个回路带宽为BW112121BWBW=−总称为缩减因子。121−n②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inV+outV+2010-9-16《高频电子线路》29/32（3）放大器噪声放大器噪声源124ndmIKTgBγ=12ndI12ndI12ndI等效输入噪声源BgKTIImdnnγ4221==放大器噪声系数γγ+=1/44SmRKTgKTF=1+2010-9-16《高频电子线路》30/32（4）线性差动输入方式——输入信号动态范围大于单管inV−inV+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2010-9-16《高频电子线路》31/32inV−inV+共栅组态——Cgd没有反馈outV+Cgd包含在Cd中（6）输出电平调节目的：与后级直流一致M3工作在线性电阻区调节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Cgd2010-9-16《高频电子线路》32/32作业•5-4