低噪声放大器基本电路

常见的LNA电路配臵 – 对场效应管而言，电路配臵可以分为共源、共栅、共 漏和共源-共栅（cascode）四种基本类型；相应地，对 双极型晶体管而言，电路配臵又可以分为共射、共基 、共集和共射-共基（cascode）四种基本类型。
FET和BJT的基本电路配置
低噪声放大器的设计步骤
功率放大器的应用
高保真音响系统
功率放大器的应用
电视、汽车音响等
功率放大器的应用
发射无线电广播电信号 信号频率在几十兆到几百兆赫兹
功率放大器的应用
发射电视信号
功率放大器的应用
对讲机、无绳电话
功率放大器的应用
蓝牙耳机 信号频率在2～4G赫兹，属器的应用
无线通信基站
CB
VG VD
CB
RFC RFin
RFC RFout
低噪声放大器设计


低噪声放大器（low-noise amplifier，LNA）是射频接收机 前端的重要组成部分。通常低噪声放大器位于接收机的 最前端，它对微弱的接收信号进行放大并尽可能少地引 入本地噪声。 低噪声放大器的主要技术指标： – 工作频率：放大器能够工作的频率取决于晶体管的特 征频率 f T，常选择 f T 是工作频率的5～10倍。 – 噪声系数：噪声系数在不同的应用场合有不同的要求 ，它的值可以从1dB到几个dB。噪声系数与放大器所 选用的晶体管噪声特性、静态工作点、输入/输出匹配 特性、工作频率和工艺有关，是低噪声放大器最为重 要的指标。
射频放大器偏臵电路


常用的双极性晶体管无源偏臵电路 有右边这两种。偏臵电路中的射频 线圈RFC和电容CB是用来隔离射频 信号，电容CC是用来耦合射频输入 和输出信号。 上图中的R1和R2构成了直流偏臵电 阻网络，并形成并联直流电压负反 馈；下图中的R1到R4组成了直流偏 臵网络，采用直流分流的方式为晶 体管提供基极电流IB。
GS GIN GOUT GL
VG ZG
+
晶体管 放大电路 [S] ZIN ZOUT
ZL
Re Z IN 0 Re Z OUT 0
G IN 1 GOUT 1
G
V V


Z Z0 Z Z0
放大电路稳定性分析

绝对稳定：
有条件稳定

对于窄带放大电路，应该尽量避免依靠在输入或 输出电路增加电阻的方法，而应该尽可能的调节 电源和负载的反射系数使得放大电路处于稳定状 态。
放大电路的增益
GS Z0 VG
+
GIN
GOUT GL
输入匹配 网络
射频晶体管 放大电路[S]
输出匹配 网络
ZL
转换功率增益： 工作功率增益： 资用功率增益：
PL 负载吸收的功率 GT PAVS 信号源的可用功率 PL 负载吸收的功率 GP G PIN 输入到网络的功率 GA PAVN 网络的可用功率 PAVS 信号源的可用功率
射频放大电路
射频放大电路



射频放大器的相关理论 低噪声放大器设计 功率放大器设计
放大电路稳定性分析
GS Z0 VG
+
GIN
GOUT GL
输入匹配 网络
射频晶体管 放大电路[S]
输出匹配 网络
ZL
GS
GIN
GOUT
GL
VG ZG
+
晶体管 放大电路 [S] ZIN ZOUT
ZL
放大电路稳定性分析
VX IX R2 R3 R1 IB IB I1 R2 IC RFC CB RFin
VCC R1 CC RFC RFout
R4 IC
VCC CC RFC RFout
RFC CB RFin
无源偏置网络
17
射频放大器偏臵电路

场效应晶体管的偏臵网络
–
与双极结晶体管偏臵网络基本相同，主要缺点是 需要两个极性不同的电源。
2

(1 GS ) S21 (1 G L ) 1 S11GS 1 S22 G L
2

要使晶体管获得最大转换功率增益，要满足
* G S S11 * G L S 22
此时有
GT max GS max GO GL max
1 1 S11
2
S21
2
1 1 S22
噪声系数和等噪声系数圆
PNO T 噪声系数的定义： F PNO I
可以证明：
PSI SNR IN PNO T PNI PSO G A PNI SNR OUT PNOT
F Fmin
rn YS Yopt gS
2
等增益圆
噪声系数只与输入端有关， 而与负载无关。在Smith 圆图上可以画出等噪声系 数圆：
G IN 1 GOUT 1
对于任何
GS 1 GL 1

G IN 1 GOUT 1

对于一定范围内的G S 和G L
绝对稳定的充要条件
S11 S22 S12 S 21 K 1 S11 S22
IB
I1
VCC R1 CC RFC RFout
R2 IC RFC CB RFin
R4 R2 VX IX R3 R1 IB IC
VCC CC RFC RFout
RFC CB RFin
无源偏置网络
16
射频放大器偏臵电路
已知 VCE=3V, IC=10mA, VCC=5V, VBE=0.8V, β=100, 求无源偏置网络阻值. 解：上图 I1=IC+IB=10+10/100=10.1mA 则：R1=(VCC–VCE)/I1=198Ω R2=(VCE–VBE)/IB=22kΩ 下图，先任选VX=1.5V (VBE＜VX＜VCC) 则：R3=(VX–VBE)/IB=7kΩ R1=VX/IX=VX/10IB=1.5kΩ R2=(VCC–VX)/(IX+IB)=3.18kΩ R4=(VCC–VCE)/IC=200Ω
功率放大器


射频功率放大器的工作频率很高（从几十兆赫兹 一直到几百兆赫兹，甚至到几吉赫兹），按工作 频带分类，可以分为窄带射频功率放大器和宽带 射频功率放大器。 窄带射频功率放大器的频带相对较窄，一般都采 用选频网络作为负载回路，例如LC谐振回路。 宽带射频功率放大器不采用选频网络作为负载回 路，而是以频率响应很宽的传输线作为负载。这 样它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必 重新调谐。
2 2 2
2 S12 S21
1 K 1
放大电路稳定性分析


对于单向传输的晶体管(S12 ≈ 0)，一定有K∞， 且当|S11| < 1， |S22| < 1时，满足|△| < 1的条件， 因此晶体管构成的放大器一定是无条件稳定的。 当放大器电路不满足稳定性条件时，出现
低噪声放大器基本电路

低噪声放大器基本电路框图如图所示，主要包括偏臵电 路、输入/输出匹配电路和控制保护电路三部分。
–
–
–
直流（电压/电流）偏臵电路：给放大器提供需要的直流电压或电 流； 阻抗匹配/转换电路：为了实现最大增益、最小噪声系数或最大功 率传输，放大器相应有增益、噪声和功率匹配网络。 控制和保护电路：控制电路通常由开关、衰减器、移相器和限幅 器等器件构成，它的主要作用是提高放大器线性度和控制增益。
功率放大器的应用
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功率放大器的主要技术指标

功率效率
功率放大器的功率效率0 是功率放大器的射频输出功率与供给晶体管 的直流功率之比。
P
射频输出功率 直流输入功率
对于双极晶体管情况，P 称为集电极效率，对于 MOSFET，称之为漏极 效率。 考虑到放大器的功率增益，又给出另一种定义：
rg2i
g i S ii
1 g i
r 半径：g
1 g i 1 Sii 1 Sii
2

2
1 gi

结论： 1. 在Γ = Sii 时, gi = 1, d = Sii , r = 0, 可得最 大增益Gimax。 2. 所有等增益圆的圆心都落在原点(gi=0)到 Sii 的连线上。增益越小，则圆心越靠近原 点，同时半径越大。 3. 当Γ= 0时，gi=1- Sii ，d = r = Sii /(1+ Sii )。 即Gi=1(0dB)圆总是与Γ平面的原点相切。

通常有两种方法可以采用：
–
在输入或输出回路中增加纯电阻（由于放大电路 存在功率增益，为了不增大电路的噪声系数，通 常电阻都加在输出电路中）
T R T R
T R
T
R
–
在放大电路中引入负反馈，减少S12形成的正反馈 ，降低输入和输出电路中的电压反射系数。
放大器的稳定措施

缺点：
– – –
降低放大电路功率增益 增加放大电路噪声 减少可用输出功率
放大电路的增益
GT (1 GS ) S21 (1 G L )
2 2 2
1 GS Gin 1 S22 G L
2
2
GP
(1 G L ) S21
2 2
2 2
(1 G in ) 1 S22 G L
S 21 (1 GS )
2 2 2 1 S11GS (1 G out ) 2
add
射频输出功率 射频输入功率 直流输入功率
2
等增益圆
上式中：
GS max 1 1 S11 ， GL max 2 1 1 S 22