《通信电子线路》(第 2 版)2．1引言2．2晶体管高频小信号模型2．3LNA主要指标2．4单管低噪声放大器2．5集成宽带低噪声放大器2．6LNA的噪声匹配2．7LNA设计举例2．1 引言•低噪声放大器在接收通道中的作用与位置图2.1.1 某CDMA移动台射频前端收发系统结构框图2．1 引言•LNA的主要特点1、要求LNA有较低的噪声系数。
2、要求LNA有一定的功率增益。
3、要求LNA具有足够的线性范围。
4、LNA的匹配问题•双极型晶体管共射小信号等效模型主要参数：发射结的结电阻r b’e 、发射结电容C b’e 、集电结电容C b’c 基极电阻r bb’、g m U b’e 、特征频率f T .2．2 晶体管高频小信号模型•r b ’e 为发射结的结电阻，其值为：EQT e e b I U r r )1()1('ββ+=+=•C b ’e 为发射结电容，包含势垒电容C T 和扩散电容C D 两部份，C b ’e = C T + C D•C b ’c 为集电结电容，它也包含势垒电容C T 和扩散电容C D 两部份主要参数：2．2 晶体管高频小信号模型2．2．１双极型晶体管共射小信号等效模型•r bb ’由基极引线电阻和基区体电阻组成，其值约为几十到几百欧。
•g m U b ’e 表示双极型晶体管放大作用的等效电流源。
mVI r U i g E be Q BE C m 26≈=∂∂=β•特征频率f T ，定义为共射输出短路电流放大倍数β下降为1时的频率m m T C g C C g f 2)(2ππ≈+=主要参数：2．2 晶体管高频小信号模型2．2．１双极型晶体管共射小信号等效模型主要参数：跨导g m 、输出电阻r ds 、栅源极间和栅漏极间电容C gs 和C gd 、漏源极间电容C ds 、最高工作频率f m2．2 晶体管高频小信号模型2．2．2场效应管小信号模型•跨导g mDQox th GS GSQ ox m I l WC U U l WC g 22)()(μμ≈−≈µ为迁移率，通常为常数。
C ox 为单位面积的栅极电容量，l 为沟道长度，W 为沟道宽度。
•输出电阻r ds DQds ds I g r λ11≈=A U /1−=λ称为沟道长度调制系数，U A 为厄尔利电压主要参数：2．2 晶体管高频小信号模型2．2．2场效应管小信号模型•栅源极间和栅漏极间电容C gs 和C gd•漏源极间电容C ds ，主要由漏、源区分别与衬底之间PN 结的势垒电容组成，通常为0.1~1pF 左右。
C gs 和C gd 主要由MOS 平板电容组成，工程中可以用下式近似估算Wl C C Wl C C ox gd ox gs 31,32== •最高工作频率f m gs m gd gs m m C g C C g f ππ2)(2≈+=主要参数：2．2 晶体管高频小信号模型2．2．2场效应管小信号模型-30-21-21反向隔离（dB ）-4-3-11.1IIP3 (dBm)14.49.518.1增益（dB ） 1.32.82.8噪声系数NF(dB) 1.4-2.51.91.9工作频率（GHz ） 3.52.04.0电源电流（mA ） 2.7-5.51.93.0电源电压（V ）SiGe 0.8µm Si Bipolar 0.5µm GaAs FET工艺2．3 LNA 主要指标2．3 LNA主要指标•功耗在保证放大器指标的前提下，适当减小偏置电流。
•噪声系数结论：对于无源互易网络，其损耗等于噪声系数。
（a）LC滤波器（b）RC滤波器•例2.3.1图2.1.1所示为某CDMA 移动台射频前端收发系统结构框图，设窄带CDMA 信号带宽B N 为1.23MHz ，接收灵敏度S(dBm)为-117dBm ，输出信噪比D 为11dB 。
求1) 窄带CDMA 接收系统的噪声系数；2) 若天线开关损耗为0.5dB ，收发双工器损耗为3.5dB ，LNA 的噪声系数控制在多少才能保证整个接收机的性能？2．3 LNA 主要指标2．3 LNA主要指标■动态范围动态范围通常定义为接收电路在能保证输出信号质量情况下，最大输入电平与最小输入电平的比值。
SFDR (dB) = Smax(dBm) -Smin(dBm)■例2.3.2某接收机的前端LNA噪声系数NF=3dB，输入三阶互调阻断点IIP3 = -20dBm，带宽B = 1MHz。
若要求输出信噪比D为12dB，求LNA的无失真动态范围SFDR。
■LNA 的匹配LNA 与信号源的匹配是非常重要的，由匹配方式决定了LNA 的拓扑结构：功率匹配与噪声匹配。
■增益及增益控制■线性度例2.3.4 已知LNA 的噪声带宽B N ＝200KHz ，N F =2dB ，求基底噪声N Ft 为多少？若1dB 压缩点的输入功率S in1= -20dBm ，要求输出信噪比D =15dB 时，问此时LNA 的线性动态范围IEDR (Linear dynamic range)为多少？2．3 LNA 主要指标分析步骤：•计算输入端总等效电容C eq ；•把该系统单向化近似，简化为含一个电容的一阶系统；•计算主极点（输入极点）的值ωP•计算系统上限角频率ωH 、共发放大器增益带宽积GBP2．4单管低噪声放大器2．4．1双极型三极管共射极高频小信号电路分析eb e b eb c b Lm eq DC C C C R g C ''']1[''=+=•主极点值为eqeq p C R 1=ωII out us C sR A s A s U s A +=+==⋅1/1)()(.ωeb bb s LI r r R R A '''++−=βeb bb s bb s e b e b bb s eq r r R r R r r r R R ''''')(//)('+++=+=eb e b bb s e b bb s eq eq p H DC r r R r r R C R ''''')(1+++===ωω•共射小信号放大电路的电压增益•上限角频率•输入端总等效电容为•C eq 两端并联等效电阻•中频区源电压增益2．4单管低噪声放大器2．4．1双极型三极管共射极高频小信号电路分析共源电路及密勒近似简化电路分析步骤：•计算输入端等效电容C eq 、一阶系统主极点（输入极点）ωP 、电路的电压增益为A US 、上限角频率ωH2．4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gsgs D m gsgd gd D m gs gd D m gs eq DC C R g C C C R g C C R g C C =+=+≈++=)1()1(eqS p C R 1=ωgsS D m eq S Ip I s out us DC sR R g C sR A s A s U s U s A ⋅+−=+=+==11/1)()()(ωgss eq S p H DC R C R 11===ωω•输入端等效电容•主极点值为•电压增益•上限角频率ωH 为2．4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2．4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JFET构成的共源LNA放大电路1) 双极型晶体管组合电路■组合电路的上限频率主要取决于共发电路。
利用共基电路输入阻抗低的特性，将它作为共发电路的负载，就可有效地克服共发电路中的密勒倍增效应。
2．5集成宽带低噪声放大器2．5．1组合LNA 电路2．5集成宽带低噪声放大器2．5．1组合LNA电路2)场效应管共源－共栅电路■由场效应管构成的共源共栅极放大器可以有效地提高电压增益和提高电流源的输出阻抗，并通过抑制密勒效应提高共栅极放大器的工作速率，并为共源极提供很高的输入阻抗。
•共源极和共栅极的级联叫作共源共栅结构(cascode)。
•共源共栅极电路的跨导大于共源极电路的跨导，因而可以获得较高的电压增益；•输出电阻R out = [1+(g m2 + g mb2)r o2]r o1+r o2，•假设g m r o >> 1，R out ≈(g m2 + g mb2)r o2r o1，即T 2把T 1的输出阻抗提高至原来的(g m2 + g mb2)r o2倍。
2)场效应管共源－共栅电路2．5集成宽带低噪声放大器2．5．1组合LNA 电路2．5集成宽带低噪声放大器2．5．2集成LNA电路2．6 LNA的噪声匹配•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(b)等效噪声模型噪声系数F ：2222222||1)(s Ns c u s Ns c u s i e Y Y i i e Y Y i i F +++=+++=i c = Y c e Ni N = i c + i u 常数Y c 称为相关导纳，它表示e N 和i N 之间的导纳，Y c = G c + jB c ，G c 为相关电导，B c 为相关电纳。
2．6 LNA 的噪声匹配2．6．1双端口网络噪声匹配kTBe R s N 42=kTB i G u u 42=kTB i G s s 42=N s c s c u sN s c u G R B B G G G G R Y Y G F ])()[(1||1222+++++=+++=，式中，R N –网络等效输入噪声电阻；G u –非相关分量i u 电导；G s –噪声源电导；由此，噪声因数可以只用阻抗和导纳项来表示，把每个导纳Y 分解成电导G 和电纳B 之和：2．6 LNA 的噪声匹配2．6．1双端口网络噪声匹配s N s c u G R G G G F 2)(1+++=0=∂∂−=cs B B s G F Nu c opt s R G G G G +==2当B s = -B c = B opt 时，对给定的G s 有为得到最小的F 值，令并求解G s 得至此，得出结论：为了使噪声因数最小，应该使噪声源导纳Y S 中的电纳B s 等于相关导纳Y c 中相关电纳B c 的负值，即这两个导纳为复共轭，相关最佳信号源电导如式（2.6.7）中所示。
2．6 LNA 的噪声匹配2．6．1双端口网络噪声匹配双极型LNA 为共射组态且工作在射频段时输入阻抗为eb b b in C j r Z ''1ω+≈β2211'S m S m S bb R g R g R r F +++=β'211min bb m r g F ++=mbb m opt S g r g R )21(')(+=β共射LNA 放大器的噪声因数为可以得出最小噪声因数最佳源阻抗为2．6 LNA 的噪声匹配2．6．2双极型LNA 的匹配•例2.6.1 当共射放大器的射极电流Ic = 1mA, β= 100,r bb’= 50Ω,求最佳源阻抗Rs(opt)和最小噪声系数NF。