Cb 为基区扩散电容
5） C
C 0 VBC 1 0
n
反偏集电结电容
6） 7）
Ccs 集电结与衬底间的势垒电容
rbb ' 、ree 、 rcc 为各极的体电阻
大倍数下降为 1 时的频率
8） 特征频率 fT 定义为共射输出短路电流放
gm gm fT 2 (C C ) 2 C
3） 有源偏置电路
有源偏置电路具有相 当出色的温度稳定性，但 同时也带来了元件数目增 多，电路结构复杂等缺点。 在放大器的温度稳定性要 求比较高的时候，可以考 虑采用这种偏置电路。
有源偏置电路
3）传输线偏置电路
传输线偏置电路
传输线偏置法可以抑制偶次谐波，并且还可以 改善放大器的稳定性。
固定基流偏置电路
IIP3
Input VSWR
－11.1dBm
1.5
－3dBm
1.2
Output VSWR
隔 离
3.1
21dB
1.4
21dB
从表中可以看出，低噪声放大器的主要指标为： 噪声系数 增益 线性范围
输入输出阻抗的匹配
功耗
输入输出的隔离
以上各项指标并不独立，是相互关联的，在 设计中如何折中，兼须各项在指标，是设计的 重点也是难点。
C gd ---漏极与源极电容
rG 、 rS 、 rD 分别为各极的欧姆电阻，rds 是漏源电
阻， R 是串联栅极电阻 i
对于GaAs FET ，这些参数的典型值为
Ri 7
C gs 0.3 pF
rds 400 Cds 0.12 pF
gm 40mS
C gd 0.01 pF
基极分压射极偏置电路
传输线偏置电路
2. 阻抗匹配/转换电路设计 噪声系数、功率、效率和调失真比等指标。 LNA阻抗匹配/转换电路设计步骤 1）确定要求的最小噪声源阻抗 2）将最小噪声源阻抗匹配到输入信号源阻抗 （输入阻抗匹配网络） 3）确定放大器输出阻抗
阻抗匹配/转换电路设计取决与放大器要求的增益、
电路中各元件的物理意义
vBE 1） r iB

Q

gm
为输出交流短路时的输入电阻 为正向传输跨导
iC 2） g m vBE

Q
I CQ VT
vCE 3） r0 iC
Q
VA 为输入交流短路下的输出阻抗 I CQ
4） C C je Cb
C je 为正偏发射结电容
直流偏置电路有两种类型，一种是无源偏置，另一
种为有源偏置。无源偏置又分为固定基流偏置、基
极分压射极偏置和传输线偏置三种形式。
1） 固定基流偏置电路
固定基流偏置电路电路 结构比较简单，但当温度、 电源电压变化或更换参数不 同的BJT时，直流工作点Q （ IC 、 VCE ）会明显变化。
固定基流偏置电路
第五章 低噪声放大器
通信与信息工程学院
本章主要内容
低噪声放大器概述
低噪声放大器的性能指标
晶体管高频等效电路 低噪声放大器设计
低噪声放大器实例
本章学习重点和难点
低噪声放大器是接收机的关键组成部分， 在整个通信系统的射频前端设计中占据重要 地位。
本章重点讲解低噪声放大器的性能指标、 基本结构和基本设计方法。低噪放的基本设 计原理是本章的难点。
功耗下获得大增益。
工艺技术 Bipolar BiCMOS SiGe HBT 截止频率 fT (GHZ) 25 – 50 10 – 20 40 - 80
2） GaAs 工艺 GaAs 是一种化合半导体材料，性能未定，工
艺成熟，它的最高频率可达到 50-100GHz。
3） CMOS 工艺
CMOS器件噪声低，线性度好，可将通信系统
工作点电流电压的改变会使BJT小信号参数改变，从 而使放大器的性能指标不稳定，甚至振荡。
2）基极分压射极偏置电路
基极分压射极偏置电路 是一种可以稳定工作的电路 结构。电路中利用电阻 RE 引入电流采样电压求和式的 负反馈，当某种原因（如温 度升高，电源电压增加或更 基极分压射极偏置电路 换更大 的BJT）使得工作 点的 IC 增加时，则电路中直流负反馈作用可以抑制 IC 的增加，使得放大器的静态工作点相当稳定。
（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
增益大——后级易产生非线性失真 增益取决于
跨导 g m ——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
1. 确定直流工作点Q，设计直流偏置电路。 2. 确定Q点下有源器件特性(稳定性、增益、噪 声系数、功率、效率、交调失真比等)。 3. 设计阻抗匹配/转换电路，实现要求的放大器 性能。 4. 设计控制和保护电路（按需要）。
三、放大器各部分电路设计 1. 直流（电压/电流）偏置电路设计 直流偏置电路的功能是为有源器件提供选择的工作 点，其本质是一个低通滤波器，起到通直流，隔交 流的作用。
1.双极型晶体管共射小信号等效电路
共射放大器原理图 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 基极电流与偏置 电压关系图 共同决定工作点Q
输入信号为 v s,
vBE VBEQ vs
q vBE kT
输出电流公式 iC I S e
ICQe
q vs kT
§5.1 低噪声放大器概述
一、低噪声放大器简介
低噪声放大器（low-noise amplifier，简称LNA） 是射频接收机前端的主要部分。要求具有最小的噪声 系数、较大的增益、足够的动态范围、输入端良好匹 配和一定的频带选择等性能。
低噪声放大器工作在A类，其导通角为360度。在 进行小信号放大，基本可以做到线性放大，故经过放 大后的信号线性失真很小。
二、低噪声放大器在通信射频前端的位置
例：单次变频超外差式接收机
由于天线接收输入信号通常很小,需要对其进 行放大，但为了尽可能地少的引入噪声，故采 用低噪声放大器对天线接收的微弱信号进行放 大。
三、低噪声放大器的主要特点 ⑴ LNA靠近接收机的最前端，要求它的噪 声系数越小越好。
⑵ LNA所接受的信号是很微弱的，故它是一 个信号线性放大器。
（1）低功耗——移动通信的必然要求 低电源电压 小的静态电流——跨导 g 小 m （2）工作频率——取决于晶体管的特征频率 fT
gm gm fT 2 (c c ) 2 C
与工作点有关
取决于半导体工艺
（3）噪声系数 线性网络：
(Vn I n RS )2 F 1 4kTBRS
场效应管的单位电流增益频率为
gm gm fT 2 (Cgs Cgd ) 2 Cgs
§5.4 低噪声放大器设计
一、低噪声放大器基本电路
放大器的结构框图 如上图所示，放大器电路包括： 1.直流（电压/电流）偏置电路
2.阻抗匹配/转换电路 3.控制和保护电路（按需要）
二、低噪放设计的基本任务
（bipolar）、 GaAs 和 CMOS 工艺。
1）双极工艺：纯双极（pure bipolar）--BJT,
BiCMOS 和 SiGe HBT（异质结双极管）与 CMOS
相比，双极晶体管有两个优点：
① 相同的偏置电流下，跨导大，可使放大器在较小 的功耗下获得大增益。 ② 有较高的增益带宽积，可以提高放大器在较小的
⑶ 低噪声放大器的输入端必须与前接的天线 滤波器或天线匹配。
⑷ 低噪声放大器应具有一定的选频能力，因 此它一般是频带放大器。
§5.2 低噪声放大器的性能指标 例：0.5um GaAs FET 和 0.8um Si Bipolar 工艺的低噪声放大器指标。
指标 电源电压 电源电流 频 率 噪声系数NF 增益Gain 0.5μ m GaAs FET 3.0V 4.0mA 1.9GHZ 2.8dB 18.1dB 0.8μ m Si Bipolar 1.9V 2.0mA 1.9GHZ 2.8dB 9.5dB
3）传输线匹配电路
传输线匹配网络具有良好的通用性，它可在任意 输入阻抗和实部不为零的负载阻抗之间形成匹配，此 匹配电路特别适用于GHz以上的射频电路，由于节约 元器件，故能减小成本。
4）传输线-分立元件混合型匹配网络
传输线-分立元件混合型匹配网络的特点： 1）传输线和分立元件电容混合使用，可以减小匹配 网络尺寸，有利于高频集成电路设计。 2）不使用分立元件电感，可降低整个匹配网络的电 阻性损耗。 3）可增加元件，以增强电路的调谐性能。
引起反向传输的原因在于晶体管的集电极和基极 间的级间电容 以及电路中寄生参数的影响，它 C bc 们也是造成放大器不稳定的原因。
通常采用中和电容法及晶体管共射共基（或共 源共栅）结构提高稳定性。
§5.3 晶体管高频等效电路
一、射频集成电路工艺 现代移动通信的发展要求低成本，低功耗， 高集成的集成电路，为了实现射频集成，选择 合适的工艺技术很重要。 目前常用的射频集成电路工艺有：双极
双极晶体管
rbb ' g m RS rbb ' 1 1 F 1 1 Rs 2 g m RS 2 Rs 2 g m RS
场效应管 分析：
1 1 F 1 RS g m
①放大器的噪声与工作点有关—— g m
②双极晶体管放大器的噪声与基区体电阻 rbb` 有关 ③放大器噪声系数与信号源内阻有关
4）匹配输出阻抗电路类型 1）L型匹配电路
L型匹配电路是最简单的匹配电路类型，但其Q值 固定，且存在匹配禁区。