第二章第二章 低噪声放大器低噪声放大器李芹李芹第二章第二章 低噪声放大器低噪声放大器2.1 引言引言2.2 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型2.3 LNA主要指标主要指标2.4 单管低噪声放大器单管低噪声放大器 2.5 集成宽带低噪声放大器集成宽带低噪声放大器2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配2.7 LNA设计举例设计举例 2.1 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LNA的主要特点的主要特点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 2.1 引言引言工工艺0.5m GaAs FET0.8m Si BipolarSiGe电源源电压（V）3.01.92.7-5.5电源源电流（流（mA）4.02.03.5工作工作频率（率（GHz）1.91.91.4-2.5噪声系数噪声系数NF(dB)2.82.81.3增益（增益（dB）18.19.514.4IIP3 (dBm)-11.1-3-4反向隔离（反向隔离（dB）-21-21-30 2.3 LNA主要指标主要指标功耗功耗 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。噪声系数噪声系数 对于无源互易网络，其损耗等于噪声系数。对于无源互易网络，其损耗等于噪声系数。（a）LC滤波器（波器（b）RC滤波器波器 23 LNA主要指标主要指标无源有耗网络的噪声系数无源有耗网络的噪声系数无源四端网络的输入端的信号源内阻为无源四端网络的输入端的信号源内阻为RS,网络输出阻抗为网络输出阻抗为RO，在网络输入、输出端匹配条件下，插入损耗为，在网络输入、输出端匹配条件下，插入损耗为L网络输入端的噪声是由信号源网络输入端的噪声是由信号源RS产生的，其额定功率为产生的，其额定功率为NiA=kTB，网络输出端的噪声可看作由输出阻抗，网络输出端的噪声可看作由输出阻抗RO产生的，产生的，其额定功率为其额定功率为NOAkTB。B是该网络的带宽。是该网络的带宽。故根据噪声系数的定义：故根据噪声系数的定义：其中无源网络的功率增益的倒数就等于它的损耗。因此无其中无源网络的功率增益的倒数就等于它的损耗。因此无源有耗网络的噪声系数在数值上就等于它的损耗。源有耗网络的噪声系数在数值上就等于它的损耗。LNA的匹配的匹配 LNA与信号源的匹配是非常重要的，与信号源的匹配是非常重要的，由匹配方式决定了由匹配方式决定了LNA的拓扑结构：功率的拓扑结构：功率匹配与噪声匹配。匹配与噪声匹配。 增益及增益控制增益及增益控制 23 LNA主要指标主要指标 23 LNA主要指标主要指标动态范围动态范围动态范围：接收机所接收的信号强弱是变动态范围：接收机所接收的信号强弱是变化的，通信系统的有效性取决于它的动态化的，通信系统的有效性取决于它的动态范围，即高性能的工作所能承受的信号变范围，即高性能的工作所能承受的信号变化范围。动态范围的下限是灵敏度，它受化范围。动态范围的下限是灵敏度，它受到基底噪声的限制。但当输入信号太大时，到基底噪声的限制。但当输入信号太大时，由于系统的非线性而产生了失真，输出信由于系统的非线性而产生了失真，输出信噪比反而会下降，因此，动态范围的上限噪比反而会下降，因此，动态范围的上限由最大可接收的信号失真产生由最大可接收的信号失真产生 23 LNALNA主要指标主要指标动态范围动态范围动态范围有两种不同的定义：动态范围有两种不同的定义：对于功率放大器而言，常用对于功率放大器而言，常用“线性动态范围线性动态范围”(linear dynamic range)的概念。它定义为产生的概念。它定义为产生1dB压缩点的输入信号电平与灵敏度（或基底噪声）之比。压缩点的输入信号电平与灵敏度（或基底噪声）之比。而对于低噪声放大器或混频器则常采用而对于低噪声放大器或混频器则常采用“无杂散动无杂散动态范围态范围”（SFDR)(spurious-free dynamic range)的概的概念，即下限输入信号为灵敏度（或基底噪声），输入念，即下限输入信号为灵敏度（或基底噪声），输入信号的上限固定为此输入信号在输出端引起的三阶互信号的上限固定为此输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量折合到输入端恰好等于基底噪声调失真分量折合到输入端恰好等于基底噪声2.3 LNA2.3 LNA主要指标主要指标动态范围动态范围l下限输入信号为灵敏度下限输入信号为灵敏度Pin,min，输入信号的上限，输入信号的上限Pin,max规定为此输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量规定为此输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量PO3折合到输入端恰好等于基底噪声（即折合到输入端恰好等于基底噪声（即Ft=PO3/GP，GP是功率增益是功率增益)l由系统的基底噪声由系统的基底噪声Ft和所要求的输出信噪比和所要求的输出信噪比(SNR)O,min可求出灵敏度可求出灵敏度l由系统的三阶互调截点和基底噪声由系统的三阶互调截点和基底噪声Ft可以求出可以求出Pin,max2.3 LNA2.3 LNA主要指标主要指标动态范围动态范围设设天线的等效噪声温度为天线的等效噪声温度为Ta，接收机的噪声系数为接收机的噪声系数为F，功率增益为功率增益为Gp，设灵敏度为设灵敏度为Smin。No是是接收机输出总噪声功率接收机输出总噪声功率: NO=kTaBGP+N内内 可以将可以将N内内看作是输入端电阻在对应的等效温度为看作是输入端电阻在对应的等效温度为Te时产生的噪声经放大后达到输出端的值，因而时产生的噪声经放大后达到输出端的值，因而 N内内kBTeGp。由于由于Te=(F-1)T0， 则则NO=kBTa+(F-1)T0Gp则灵敏度则灵敏度Smin=Pomin/Gp=(NO/Gp)(Pomin/NO) =kTB Ta+(F-1)T0D Smin(dBm)=kTa+(F-1)T0(dBm/Hz)+10lgB+D前面两项称为系统总的合成噪声，记为前面两项称为系统总的合成噪声，记为Ft，也称基底也称基底噪声，则：噪声，则：NFt(dBm)=kTa+(F-1)T0(dBm/Hz)+10lgB特别是当特别是当Ta=T0=290K时，时，NFt=kT0(dBm/Hz)+NF(dB)+10lgB = -174dBm/Hz+NF(dB)+10lgB基底噪声与所要求的输出信噪比共同决定了输入灵敏基底噪声与所要求的输出信噪比共同决定了输入灵敏度。系统的基底噪声越大就要求输出信噪比越高。度。系统的基底噪声越大就要求输出信噪比越高。2.3 LNA2.3 LNA主要指标主要指标动态范围动态范围2.3 LNA2.3 LNA主要指标主要指标动态范围动态范围 当输入功率为当输入功率为Pin时，产生的基波输出功率和三阶互调时，产生的基波输出功率和三阶互调失真分量分别为：失真分量分别为： PO1=GPPin PO3=GP3Pin3 根据三阶交截点的定义，当根据三阶交截点的定义，当Pin=IIP3时，时，PO1=PO3。因。因此由上两式可得：此由上两式可得： 将将GP3和和Pin=Pin,max代入代入PO3，可得，可得 2.3 LNA2.3 LNA主要指标主要指标动态范围动态范围根据无杂散动态范围的定义，对应输入为根据无杂散动态范围的定义，对应输入为Pin,max时，输出三阶互调分量时，输出三阶互调分量PO3=GPFt,所以有：所以有：2.3 LNA2.3 LNA主要指标主要指标动态范围动态范围以对数形式表示的无杂散动态范围：以对数形式表示的无杂散动态范围：例例2.3.1 图图2.1.1所示为某所示为某CDMA移动台射频移动台射频前端收发系统结构框图，设窄带前端收发系统结构框图，设窄带CDMA信信号带宽号带宽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) 窄带窄带CDMA接收系统的噪声系数；接收系统的噪声系数； 2) 若天线开关损耗为若天线开关损耗为0.5dB，收发双工收发双工器损耗为器损耗为3.5dB，LNA的噪声系数控制在多的噪声系数控制在多少才能保证整个接收机的性能？少才能保证整个接收机的性能？ 2.3 LNA主要指标主要指标 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 = 1MHz。若要求输出信噪若要求输出信噪比比D为为12dB， 求求LNA的无失真动态范围的无失真动态范围SFDR。 2.3 LNA主要指标主要指标 例例2.3.3 已知已知LNA的噪声的噪声带宽BN200KHz，NF=2dB，求基底噪声求基底噪声NFt为多少？若多少？若1dB压缩点点的的输入功率入功率Sin1 = -20dBm，要求要求输出信噪比出信噪比 D =15dB时，问此此时LNA的的线性性动态范范围IEDR (Linear dynamic range)为多少？多少？ 2.3 LNA主要指标主要指标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 . 2.2 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型 rbe为发射射结的的结电阻，其阻，其值为： Cbe 为发射射结电容，包含容，包含势垒电容容 CT 和和扩散散电容容 CD 两部份，两部份，Cbe = CT + CD Cbc为集集电结电容，它也包含容，它也包含势垒电容容 CT 和和扩散散 电容容 CD 两部份两部份 主要参数：主要参数： 2.2 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型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 rbb 由基极引由基极引线电阻和基区体阻和基区体电阻阻组成，其成，其值约为几十到几百欧。几十到几百欧。 gmUbe表示双极型晶体管放大作用的等效表示双极型晶体管放大作用的等效电流源。流源。 特征特征频率率fT，定定义为共射共射输出短路出短路电流放大倍数流放大倍数 下降下降为1时的的频率率 主要参数：主要参数： 2.2 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型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 2.2 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型场效应管小信号等效模型场效应管小信号等效模型 主要参数：主要参数： 跨跨导导gm、输输出出电电阻阻rds、栅栅源源极极间间和和栅栅漏漏极极间间电电容容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跨跨导gm为迁移率，通常迁移率，通常为常数。常数。Cox为单位面位面积的的栅极极电容量，容量，l为沟道沟道长度，度，W为沟道沟道宽度。度。 输出出电阻阻rds称称为沟道沟道长度度调制系数，制系数，UA为厄厄尔尔利利电压 2.2 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型场效应管小信号等效模型场效应管小信号等效模型 栅源极源极间和和栅漏极漏极间电容容Cgs和和Cgd漏源极漏源极间电容容Cds，主要由漏、源区分主要由漏、源区分别与与衬底底之之间PN结的的势垒电容容组成，通常成，通常为0.11pF左右。左右。 Cgs和和Cgd主要由主要由MOS平板平板电容容组成，工程中可以用成，工程中可以用下式近似估算下式近似估算 最高工作最高工作频率率fm 主要参数：主要参数： 2.2 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型场效应管小信号等效模型场效应管小信号等效模型密勒密勒效应效应利用密勒定理，可以将左边的电路转换成右边的电利用密勒定理，可以将左边的电路转换成右边的电路：路： Z1=1/(CFs)/(1+A)， 因此输入电容等于因此输入电容等于CF(1+A)这个电路有三个极点，每个极点值的确定都是由相应这个电路有三个极点，每个极点值的确定都是由相应一个结点到地一个结点到地“看到的看到的”总电容乘以从这个结点到地总电容乘以从这个结点到地“看到的看到的”的总电阻。因此这个电路中的每一个结点的总电阻。因此这个电路中的每一个结点对传输函数贡献一个极点。对传输函数贡献一个极点。极点和结点的关系极点和结点的关系分析步分析步骤：计算算输入端入端总等效等效电容容Ceq；把把该系系统单向化近似，向化近似，简化化为含一个含一个电容的一容的一阶系系统；计算主极点（算主极点（输入极点）的入极点）的值P计算系算系统上限角上限角频率率 H 、共发放大器增益带宽积共发放大器增益带宽积GBP 2.4单管低噪声放大器单管低噪声放大器 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主极点主极点值为共射小信号放大共射小信号放大电路的路的电压增益增益 上限角上限角频率率输入端入端总等效等效电容容为Ceq两端并两端并联等效等效电阻阻 中频区电压增益中频区电压增益2.4 单管低噪声放大器单管低噪声放大器 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 共源共源电路及密勒近似路及密勒近似简化化电路路分析步分析步骤： 计算算输入端等效入端等效电容容Ceq、一一阶系系统主极点（主极点（输入极入极点）点）P、电路的电压增益为电路的电压增益为AUS 2.4单管低噪声放大器单管低噪声放大器 2.4.2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输入端等效入端等效电容容主极点主极点值为电压增益增益上限角上限角频率率H为2.4 单管低噪声放大器单管低噪声放大器 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1) 双极型晶体管组合电路双极型晶体管组合电路 组合合电路的上限路的上限频率主要取决于共率主要取决于共发电路。利用共路。利用共 基基电路路输入阻抗低的特性，将它作入阻抗低的特性，将它作为共共发电路的路的负 载，就可有效地克服共，就可有效地克服共发电路中的密勒倍增效路中的密勒倍增效应。 2.5集成宽带低噪声放大器集成宽带低噪声放大器2.5.1组合组合LNA电路电路 由由场效效应管构成的共源共管构成的共源共栅极放大器可以有效地提高极放大器可以有效地提高电压增益和提高增益和提高电流源的流源的输出阻抗，并通出阻抗，并通过抑制密勒效抑制密勒效应提高共提高共栅极放大器的工作速率，并极放大器的工作速率，并为共源极提供很高共源极提供很高的的输出阻抗出阻抗2)场效应管共源共栅电路场效应管共源共栅电路2.5 集成宽带低噪声放大器集成宽带低噪声放大器组合组合LNA电路电路l共源极和共栅极的级联叫作共源共栅结构共源极和共栅极的级联叫作共源共栅结构(cascode)l共源共栅极电路的跨导大于共源极电路的共源共栅极电路的跨导大于共源极电路的 跨导，因跨导，因而可以获得较高的电压增益；而可以获得较高的电压增益；l输出电阻输出电阻Rout = 1+(gm2 + gmb2)ro2ro1 + ro2，l假设假设gm 1，Rout (gm2 + gmb2)ro2ro1， 即即T2把把T1的输的输出阻抗提高至原来的出阻抗提高至原来的(gm2 + gmb2)ro2倍。倍。2)场效应管共源共栅电路场效应管共源共栅电路2.5 集成宽带低噪声放大器集成宽带低噪声放大器组合组合LNA电路电路双端口网络噪声匹配双端口网络噪声匹配 (a)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 (b)等效噪声模型等效噪声模型 2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配两端口网络的等效输入噪声源两端口网络的等效输入噪声源任何一个有噪的两端口网络的内部噪声都可以由任何一个有噪的两端口网络的内部噪声都可以由置于输入端口的两个噪声源来等效：一个是和信置于输入端口的两个噪声源来等效：一个是和信号源串联的噪声电压号源串联的噪声电压U2n和一个并联的噪声电流源和一个并联的噪声电流源I2n，而把该两端口网络看作一个无噪网络（其内部而把该两端口网络看作一个无噪网络（其内部的所有器件均是理想无噪的）的所有器件均是理想无噪的）其中其中U2n是当输入端短路时，有噪网络的输出噪声是当输入端短路时，有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值功率等效到输入端的值而而I2n是当输入端开路时有噪网络的输出噪声功率是当输入端开路时有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值。等效到输入端的值。 2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配噪声系数噪声系数F： ic = YcuN iN = ic + iu 常数常数Yc称为相关导纳，它表示称为相关导纳，它表示eN和和iN之间的导纳，之间的导纳，Yc = Gc + jBc，Gc为相关电导，为相关电导，Bc为相关电纳。为相关电纳。2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配双端口网络噪声匹配双端口网络噪声匹配，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： 2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配双端口网络噪声匹配双端口网络噪声匹配当当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。2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配双端口网络噪声匹配双端口网络噪声匹配双极型双极型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 共射共射LNA放大器的噪声因数放大器的噪声因数为 可以得出最小噪声因数可以得出最小噪声因数 最佳源阻抗为最佳源阻抗为 2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配双极型双极型LNA的匹配的匹配噪声系数与源阻抗之间关系噪声系数与源阻抗之间关系 2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配双极型双极型LNA的匹配的匹配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 .输入阻抗入阻抗为 2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配双极型双极型LNA的匹配的匹配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2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配MOSLNA的匹配的匹配2.6 LNA的噪声匹配的噪声匹配MOSLNA的匹配的匹配源极电感反馈式源极电感反馈式 2.7 LNA设计举例设计举例 双极型双极型LNA单端双极型端双极型LNA当截止当截止频率率fT = 5 GHz，Le = 1.5 nH，输入阻抗的入阻抗的实部部为差分差分MOS LNA电路路结构可以有构可以有效地减小寄生效地减小寄生电感感对电路的影响路的影响 2.7 LNA设计举例设计举例差分差分MOS LNA本章要点本章要点1、晶晶体体管管高高频小小信信号号模模型型，LNA的的主主要要指指标，噪噪声声系系数数和和动态范范围，包包括括基基底底噪噪声声的的计算算，NFt与与灵灵敏敏度度S(dBm)的的关关系系，动态范范围SFDR和和IEDR的的计算；算；BJT和和FET放大放大电路的分析。路的分析。2、集集成成宽带放放大大器器原原理理，BJT组合合放放大大电路路的的高高频特特点点，FET共共源源共共栅放放大大电路路特特点点，以以及及集集成成LNA的的电路路结构。构。3、LNA的的噪噪声声匹匹配配原原理理，使使得得噪噪声声因因数数最最小小的的匹匹配配原原则是是Bs = -Bc，最最小小噪噪声声因因数数Fmin和和最最佳佳源源阻阻抗抗Rs(opt)的的计算算方方法法。MOS LNA的的四四种种输入入匹匹配配电路路结构构的的特特点点，LNA的的电路路结构构设计及及电路路结构构特点。特点。