射频电路设计技术第七章概要.ppt

第7章 低噪声放大器（LNA）设计 低噪声放大器特性 低噪声放大器（Low-Noise Amplifier，LNA）是射频接收机前端的主要部件。它主要有以下三个特点： （1）首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声越小越好。 （2）其次，它所接收的信号很微弱，所以低噪声放大器必定是一个小信号线性放大器。 （3）第三，应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰。 7.1 低噪声放大器指标 低噪声放大器的主要指标是： （1）低的噪声系数（NF） （2）足够的线性范围IIP3 （3）合适的增益（gain） （4）输入与输出间良好的隔离度 对于移动通信还有一个很重要的指标是低电源、低功耗。 7.1.1 工作频率 放大器所允许的工作频率与晶体管的特征频率f T有关。 减小偏置电流会使晶体管的特征频率降低。 在集成电路中，增大晶体管的面积使极间电容增加，同时也降低了特征频率。 7.1.2 低功耗 低噪声放大器（LNA）是小信号放大器，必须给它设置一个静态偏置。 降低功耗的根本途径是采用低电源电压、低偏置电流，同时晶体管的跨导减小，从而引起晶体管及放大器的指标发生一系列变化。 7.1.3 增益 放大器的增益首先与管子的跨导有关，跨导直接由工作点的电流大小决定，其下一级放大器的增益还与负载有关。 低噪声放大器是频带放大器，它的选频功能由其负载决定。 低噪声放大器的输出端必须与滤波器相匹配，以保证滤波器的特性，如插入损耗、带内波动及带外衰减等。 7.1.4 增益控制 低噪声放大器的增益最好是可控制的。在通信电路中，控制增益的方法一般有以下几种： ① 改变放大器的负反馈量； ② 改变放大器的谐振回路的Q值等。 这些改变都可通过载波电平检测电路，产生自动增益控制电压来实现。 7.1.5 噪声系数 任何一个线性网络的噪声系数可表示为： 对单管共源MOS场效应管放大器，当仅考虑沟道噪声时，场效应管放大器的噪声系数为： 对长沟道MOSFET，? =2/3 。 由以上推导可总结出两点： （1）放大器的噪声系数与工作点有关。 （2）晶体管放大器的噪声与基区电阻有关。为了降低噪声，在集成电路设计时可用增大晶体管的面积来减少基区电阻，但是面积增大的同时会增加极间电容。 7.1.6 输入阻抗匹配 低噪声放大器与信号源的匹配是很重要的。放大器与源的匹配有两种方式： （1）以获得噪声系数最小为目的的噪声匹配； （2）以获得最大功率传输和最小反射损耗为目的的共轭匹配。 匹配网络有两种形式： （1）纯电阻网络：电阻匹配网络适用于宽带放大，但是它们要损耗功率，并增加噪声。 （2）电抗网络：采用无损耗的电抗匹配网络不会增加噪声，但是只适用于窄带放大。 7.1.7 线性范围 线性范围主要由三阶互调截点IIP3和1 dB压缩点来度量。 在讨论放大器的线性范围时要注意三个问题： （1）线性范围和器件有关。场效应管由于是平方律特性，因此它的线性要比双极性好； （2）线性范围与电路结构有关，如加负反馈、将单极放大改为差分放大等； （3）输入端的阻抗匹配网络也会影响放大器的线性范围。 7.1.8 隔离度和稳定性 增大低噪声放大器的反向隔离度，可减少本振信号从混频器向天线的泄漏程度。 同时，低噪声放大器的反向隔离度好，减少了输出负载变化对输入阻抗的影响，从而简化了输入／输出端匹配网络的调试。 提高稳定性的两种措施 （1）采用中和电容 （2）共射-共基（或共栅-共源） 7.2 低噪声放大器设计原理 低噪声放大器的电路结构都由四大部分组成： （1）晶体管； （2）偏置网络； （3）输入匹配网络； （4）负载。 7.2.1 低噪声放大器结构 1．晶体管选择 可供选择的晶体管组态基本结构一般有三种： （1）共源； （2）共栅； （3）共源-共栅。 选择这些组态的原则是： （1）首先考虑稳定性； （2）方向性传输小； （3）输入阻抗匹配方式； （4）增益。 2．匹配网络选择 在输入／输出端口要进行匹配设置，以获得最大输出功率。输入端的匹配方式有两种： （1）一种是宽带匹配，又分为：变压器阻抗变换；共源级并联电阻。 （2）另一种是窄带匹配：用谐振回路（串联、并联）或外接元件与输入电容构成，调节谐振阻抗大小，达到与源共轭匹配。 3．输出选频方式 可供选择的输出选频方式包括： （1）用集总选择性滤波器，放大器为宽带形式。 （2）用LC回路，一般用并联谐振回路，应考虑如下方面：根据工作频率及输入／输出电容确定回路L、C；根据放大器的带宽要求（BW）确定回路Q；根据Q的要求确定晶体管及负载的接入方式（部分接入或者全接入）；确定回路的谐振阻抗（影响放大器的增益）。 4．输入／输出方式 一般输入／输出方