LNA
低噪声放大器（LNA）是GPS干扰机接收到GPS信号后经过的第一个模块，由文献[1]噪声系数级联公式：
式中F0表示系统总得噪声系数，Fi和Gi分别表示各级的增益和噪声系数。
可以看出，第一级电路的噪声要求是最为严格的，也是整个系统的噪声性能影响最为重要的。LNA的主要任务是在产生尽可能低噪声的前提下对射频信号进行放大以降低后级模块产生的噪声对信号的影响。为了达到这样的效果，LNA 与外界的匹配对其自身以及整个接收机而言起到了至关重要的作用，而通常是要求LNA 的输入阻抗达到50 Ω。总的来说，希望LNA 具有高增益，低噪声系数，高线性度和低功耗等性能。（只考虑单频GPS信号，即只需要窄带LNA）
对于LNA 结构的选择而言，通常有四种拓扑结构供选择，分别是：输入端并联电阻的共源放大器结构；并联-串联反馈放大器结构；共栅放大器结构；源简并电感型共源放大器结构。并且：
（1）输入端并联电阻的共源放大器结构：
文献[1]分析了该结构的放大器。通过并联50 Ω的电阻来达到匹配的效果。虽然主极点频率提高了一倍，但是放大器的低频电压增益下降了一半。并联电阻的加入使得：a:引入了与输入源噪声一样大小的热噪声，该热噪声使得该放大器的噪声系数比较大。B:信号进入共源放大器之前就衰减了一半，增加了共源放大器内部产生的噪声对噪声系数的贡献。由于噪声性能很差，不是理想的低噪声放大器结构。
（2）共栅放大结构：
当栅源寄生电容不是很大，工作频率不是很高时，即输入阻抗虚部不是很大时，可以实现较好的阻抗匹配。高频下，各种寄生效应和晶体管源端所接偏置阻抗引入的噪声都会降低放大器的噪声性能。在某些性能要求不高的应用中，这种结构可以作为低噪声放大器来使用。该结构还可作为宽带低噪声放大器的一个可选结构，加以改进和优化用来实现宽带低噪声放大器。
（3）并联-串联反馈放大器结构
该结构为宽带放大器的一种典型结构。但是，在噪声性能方面，由于受到反馈电阻和源简并电阻（可用电感代替）的热噪声影响，对放大器的噪声还是影响较大。
（4）源简并电感型共源放大器结构
该结构为使用最为广泛的窄带低噪声放大器。通过一定的设计，输入阻抗匹配最终由源极负反馈电感决定。在所需要的频带内，能够达到不错的匹配性能。
参考文献[1]设计了一种功耗约束下噪声和阻抗匹配LNA设计方法。其设计电路图如下：
MOS管M1 和M2 构成了共源共栅结构，该结构增加了反向隔离度，减小了晶体管的Miller 效应和有效输出阻抗对放大器性能的影响。M1 作为主放大管，将输入信号转换为电流信号。M2 是Cascode管，提高了放大器的输出阻抗，使得放大器的负载阻抗完全由负载网络来决定；Cascode管给主放大管提供了一个相对较低的负载阻抗，使得Miller效应的影响得到缓解；Cascode管还增加了反向隔离度，从而减弱了后级电路对输入方面的影响；Cascode管还使得放大管漏端的电压降低，使得载流子速度饱和效应减弱。Ls 和Lg与MOS 管M1 构成了主要的匹配网络，源极负反馈电感Ls 用来提供阻抗匹配中的实部，并同时构成虚部的一部分，并与Lg 和MOS 的栅源寄生电容Cgs共同消除输入阻抗的虚部，最终达到阻抗匹配的目的
非准静态效应映入的栅噪声：
噪声电阻：
最优噪声时的输入电阻：
最小噪声因子：
输入阻抗：
参考文献
[1]潘振翮.GPS双频P吗接收机的前端电路设计.
[2]郭锐，孙金中，谢凤英.应用于GPS接收机的宽带低噪声放大器.
[3]龚涛.应用于卫星导航接收机的低噪声放大器设计与实现
[4]熊斯.射频接收机前端及其关键模块设计
无线设计中LNA和PA的基本原理
对性能、微型化和更高频率运行的推动正在挑战无线系统的两个关键天线连接元器件的限制：功率放大器(PA) 和低噪声放大器(LNA)。使5G 成为现实的努力，以及PA 和LNA 在VSAT 端子、微波无线电链路和相控阵雷达系统中的使用促成了这种转变。 这些应用的要求包括较低噪声（对于LNA）和较高能效（对于PA）以及在高达或高于10 GHz 的较高频率下的运行。为了满足这些日益增长的需求，LNA 和PA 制造商正在从传统的全硅工艺转向用于LNA 的砷化镓(GaAs) 和用于PA 的氮化镓(GaN)。 本文将介绍LNA 和PA 的作用和要求及其主要特性，然后介绍典型的GaAs 和GaN 器件以及在利用这些器件进行设计时应牢记的事项。 LNA 的灵敏作用 LNA 的作用是从天线获取极其微弱的不确定信号，这些信号通常是微伏数量级的信号或者低于-100 dBm，然后将该信号放大至一个更有用的水平，通常约为0.5 到1 V（图1）。具体来看，在50 Ω系统中10 μV 为-87 dBm，100 μV 等于-67 dBm。 利用现代电子技术可以轻松实现这样的增益，但LNA 在微弱的输入信号中加入各种噪声时，问题将远不是那么简单。LNA 的放大优势会在这样的噪声中完全消失。 图1：接收路径的低噪声放大器(LNA) 和发送路径的功率放大器(PA) 经由双工器连接到天线，双工器分开两个信号，并防止相对强大的PA 输出使灵敏的LNA 输入过载。（图片来源：Digi-Key Electronics） 注意，LNA 工作在一个充满未知的世界中。作为收发器通道的前端，LNA 必须能捕捉并放大相关带宽内功耗极低的低电压信号以及天线造成的相关随机噪声。在信号理论中，这种情况称作未知信号/未知噪声难题，是所有信号处理难题中最难的部分。
LNA现状
低噪声放大器的应用与发展状况及趋势 1 低噪声放大器的应用 低噪声放大器是现代无线通信、雷达、电子对抗系统等应用中一个非常重要的部分，常用于接收系统的前端，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。 如果在接收系统的前端连接高性能的低噪声放大器，在低噪声放大器增益足够大的情况下，就能抑制后级电路的噪声，则整个接收机系统的噪声系数将主要取决于放大器的噪声。如果低噪声放大器的噪声系数降低，接收机系统的噪声系数也会变小，信噪比得到改善，灵敏度大大提高。由此可见低噪声放大器的性能制约了整个接收系统的性能，对于整个接收系统技术水平的提高，也起了决定性的作用。 低噪声放大器是雷达、电子对抗及遥测遥控接受系统等的关键部件。L、S波段低噪声放大器一般用于遥测、遥控系统。在电子对抗、雷达侦察中，由于要接收的信号的频率范围未知，其实频率范围也是要侦察的内容之一，所以要求接收系机的频率足够宽，那么放大器的频率也要求足够宽。而且，雷达侦察接收的是雷达发射的折射波，是单程接收；而雷达接收的是目标回波，从而使侦察机远在雷达作用距离之外就能提早发现雷达目标。灵敏度高的接收机侦察距离就远，如高灵敏度的超外差式接收机可以实现超远程侦察，用以监视敌远程导弹的发射，所以，要增高侦察距离，就要提高接收机灵敏度，就要求高性能的低噪声放大器。 在国际卫星通信应用中, 低噪声放大器的主要发展要求是改进性能和 降低成本。由于国际通信量年复一年地迅速增加, 所以必须通过改进低噪声放大器的性能来满足不断增加的通信要求。因此, 要不懈地不断努力去展宽带低噪声放大器的带宽和降低其噪声温度。从经济观点出 发, 卫星通信整个系统的成本必须减少到能与海底电缆系统相竞争。降低低噪声放大器的噪声温度是降低卫星通信系统成本的一种最有效的 方法, 因为地面站天线的直径可以通过改善噪声温度性能而减小。 另一方面, 在国内卫星通信应用中, 重点放在低噪声放大器的不用维 修特性以及低噪声和宽带性能, 因为在这些系统中越来越广泛地采用 无人管理的工作方式, 特别在电视接收地面站中更是如此。 卫星通信用的低噪声放大器可以分为两种类型——低噪声参量放大器 和场效应晶体管低噪声放大器。这些低噪声放大器用在几个频段内, 包
LNA设计流程(林俊明)
LNA 设计流程 摘要：本文主要为LNA 的设计总结，且理论尚未成熟，需要进一步提炼。 LNA 的设计电路图如下所示，其中，R1为额外的并联电阻，可使增益下降，但可增大带宽。 在不考虑Pad 电容的情况下，该LNA 的输入阻抗表达式为 1 112 1m in GS GS g L Z L S C S C = ++ ? (1.1) 但是，在考虑Pad 电容的情况下，输入阻抗的表达式较为复杂，不过，根据教材，这里有一些比较简便的设计方法，即设计步骤。 设计步骤如下： Step1:确定(估算)四个参数ω0,L1,Cap,LG 。 Step2:根据以下公式
20111 (L L )(C C )G GS pad ω=++ (1.2) 21 11( )GS T s GS pad C L R C C ω=+ (1.3) 由式(1.2)求得C GS1，而从式(1.3)求得ωT ，根据g m =ωT C GS1，可以求得g m 。 Step2:选定NMOS 的W ，L ，如（W=10um ，L=Lmin ），扫描g m 与ID 的曲线，这是因为 (V V )m n ox GS TH W g u C L =- (1.4) 即g m 与W 成正比，为了减少功耗，g m 取85%的g m,max 。此时，静态电流便决定了，然后，调节W 使得gm 满足上述情况。(注意，如果C GS1过小，可以通过额外并联的方式增大它的电容) 此时，可以扫描fT 与ID 的关系，从而验证ωT 是否满足要求。大概如下图： Step4:堆叠的管子与共源管子大小一样。 Step5:估算噪声系数 2 01( )m s T NF g R G ωγω=+ (1.5) γ为额外的噪声系数，对于短沟道，γ为2，长沟道，为2/3）
接收机中LNA的稳定性设计
接收机中LNA 的稳定性设计 韩艳伟 （杭州电子科技大学电子信息学院，310018） 摘要：本文阐述了LNA 的稳定性条件，讨论了稳定放大器的四种方法。然后本文结合具体的射频晶体管，利用ADS 软件进行稳定性设计和仿真，提出了四种稳定电路，并分析和讨论了这四种电路的优缺点。 关键词：稳定性、ADS 、LNA 、S 参数 0 引言 在接收机的设计中，低噪声放大器即LNA 是重要的一环，接收机系统的噪声系数主要取决于前级低噪声放大器的噪声系数，因此LNA 设计的好坏关系到了接收机系统的噪声性能和灵敏度 ] 1[。随着通信技术的发展，频谱资源越来越紧张，由此带来的邻道干扰越来越严 重，而这对 LNA 设计的影响是设计者不得不考虑全频域范围内的稳定性，以防止潜在的振荡。在LNA 的设计中，放大器的稳定性和增益是要均衡考虑的问题，因为在放大器中加入一定的稳定环节必然会引起最大资用增益MAG 的下降。由于放大器在潜在不稳定的频率震荡起来，小信号S 参数将不适用，原先设计的电路性能必将发生变化，噪声也会越来越大，放大器中会发生输入信号和振荡频率的混频并出现在输出端，这种振荡甚至会损坏器件 ] 2[。 根据器件的小信号S 参数，采用商用的微波电路设计软件，可以分析出器件的全频域的稳定性 ] 3[。这为我们进行LNA 稳定性设计提供了有利的参考条件。 1 放大器的稳定性原理 放大器稳定所需要的条件是：1<Γin ，及1<Γo u t 。其中，22 1221111S S S S l l in Γ-Γ+ =Γ（1）， 11 1221221S S S S s s out Γ-Γ+ =Γ （2）。这里假定源和负载均为无源网络，如果不是无源网络的话， 则要求源和负载的反射系数小于1。 通常判断稳定的一个简单的方法就是μ因子，即12 21*22 112 22 )(1S S S S S +?--= μ（3），其 中12212211S S S S -=?。它的物理含义是Smith 圆图原点到负载稳定圆（即负载l Γ平面上 1=Γl 的圆）的不稳定区域的距离。显然，当1>μ时，Smith 圆图的单位圆范围内均为稳 定区域，因而有源器件处于无条件稳定。另外μ因子越大，有源器件就越稳定，μ因子可 以成为判断器件稳定程度的一种度量。由(3)式可知，μ因子与有源器件的S 参数有关，而器件S 参数是关于器件的直流偏置、工作温度及信号电平的函数。当上述因素发生变化时，μ因子也随之发生变化。因此在设计电路的时候，要充分考虑到电路的工作环境及元件的参数变化对LNA 正常工作的影响。最重要的一点是，关于μ因子，要留有一定的稳定裕量。
LNA_ design (设计实例)
ECSE6967-RFIC Design Fall2005 Assignment_3 (Due Friday 23th) Make sure to state your assumptions if they are not given in the questions. 1. The LNA Design is the same as in the last problem in the class tutorial on LNAs (You can compare the hand calculated and simulated results!!). The component values are relatively close to hand calculation. Only small changes have been done to enhance the gain and Noise Figure of single ended source degenerated LNA. To characterize the LNA following figure of merits are usually measured. 1. Power Consumption and Supply Voltage 2. Gain 3. Noise 4. Input and Output Impedance Matching 5. Reverse Isolation 6. Stability 7. Linearity We will use S-Parameters (SP), Periodic Steady State Analysis (PSS), Periodic AC (PAC) and Pnoise analysis available in SpectreRF simulator to simulate above parameter of LNA. Usually there is more than one method available to simulate the desired parameter; we will use the procedure recommended by cadence. 1. S-Parameter Analysis ? Small Signal Gain (S21, GA, GT, GP) ? Small Signal Stability (Kf and ? or Bif ) ? Small Signal Noise (SP and Pnoise) ? Input and Output Matching (S11, S22, Z11, Z22) 2. Large Signal Noise Simulation (PSS and Pnoise) 3. Gain Compression, 1dB Compression Point (Swept PSS)
2.4GHz的CMOS LNA设计与仿真设计
毕业设计 设计题目一种用于射频接收机的2.4GHz 低噪声放大器设计学生姓名易昕 学号 20105220 专业班级微电子10-3班 指导教师尹勇生 院系名称电子科学与应用物理学院
2014年06月08日 目录 中文摘要 (1) 英文摘要 (2) 第一章绪论 (3) 1.1 课题研究背景现状以及意义 (3) 1.1.1 课题背景 (3) 1.1.2 CMOS 低噪声放大器研究现状 (4) 1.1.3 研究意义 (5) 1.2 论文主要工作及组织结构 (6) 第二章LNA的器件特性和噪声模型 (7) 2.1 MOSFET器件模型及特性 (7) 2.2器件噪声 (8) 2.2.1 热噪声 (9) 2.2.2 闪烁噪声 (9) 2.2.3 散粒噪声 (10) 2.2.4 爆米噪声 (10) 2.3 MOS器件噪声分析 (11) 2.3.1 漏极电流噪声 (11) 2.3.2 栅噪声 (12)
2.4 二端口网络噪声理论及优化噪声系数的LNA匹配技术 (12) 第三章低噪声放大器的主要技术参数 (20) 3.1 引言 (20) 3.2 噪声系数 (21) 3.3 S参数 (22) 3.3.1 双端口网络的S参数介绍 (22) 3.3.2 S参数方程 (22) 3.4 功率增益 (24) 3.5 线性度 (24) 3.6 稳定性指标 (26) 3.7 功耗 (27) 第四章LNA电路结构的分析和选择 (27) 4.1 输入端并联电阻的共源放大器 (27) 4.2 并联-串联放大器 (29) 4.3 共栅放大器 (31) 4.4 电感源极负反馈放大器 (32) 4.4.1 电感源极负反馈放大器的结构 (32) 4.4.2 增益 (34) 4.4.3 功率约束噪声优化 (35) 第五章LNA电路设计与仿真 (38) 5.1 引言 (38)
(完整word版)基于ADS的LNA设计
基于ADS的低噪声放大器设计 与仿真
一、实验背景和目的 (4) 1.1 低噪声放大器 (4) 1.1.1 概念 (4) 1.1.2 主要功能 (4) 1.1.3 主要应用领域 (5) 1.2 低噪声放大器的研究现状 (5) 1.3 本实验报告的主要研究内容和内容安排 (6) 二、低噪声放大器的原理分析与研究 (7) 2.1 低噪声放大器的基本结构 (7) 2.2 低噪声放大器的基本指标 (7) 2.2.1 噪声系数 (8) 2.2.2 增益 (9) 2.2.3 输入输出驻波比 (9) 2.2.3 反射系数 (9) 2.2.4 放大器的动态范围（IIP3） (10) 2.3 低噪声放大器设计设计的基本原则 (10) 2.3.1 低噪声放大管的选择原则 (10) 2.3.2 输入输出匹配电路的设计原则 (10) 三、低噪声放大器的设计 (14) 3.1 放大器设计的主要流程 (14) 3.2 低噪声放大管的选择 (15) 3.3 稳定性计算 (16) 3.4 输入输出匹配电路电路设计 (17) 3.5 偏置电路 (18) 3.6 电路中需要注意的一些问题 (18) 四、设计目标 (20) 五、ADS软件仿真设计和结论 (21)
5.1 ADS仿真设计 (21) 5.1.1 直流分析DC TRacing (21) 5.1.2 偏置电路的设计 (21) 5.1.3稳定性分析 (22) 5.1.4噪声系数园和输入匹配 (22) 5.1.5最大增益的输出匹配 (25) 5.2 结论分析 (30) 需要仿真源文件，请在空间留言
一、设计的背景和目的 1.1 低噪声放大器 在无线通信系统中，为了提高接受信号的灵敏度，一般在接收机前端放置低噪声放大器用来提高增益并降低系统的噪声系数。 1.1.1 概念 低噪声放大器是噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示。理想放大器的噪声系数F＝1（0分贝），其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管；微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器，常温参放的噪声温度Te 可低于几十度(绝对温度)，致冷参量放大器可达20K以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于 2 分贝。放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。在工作频率和信源内阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直流工作点有关。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极级联的低噪声放大电路。 1.1.2 主要功能 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下： S=-174+ NF+10㏒BW+S/N
LNA
低噪声放大器（LNA）是GPS干扰机接收到GPS信号后经过的第一个模块，由文献[1]噪声系数级联公式： 式中F0表示系统总得噪声系数，Fi和Gi分别表示各级的增益和噪声系数。 可以看出，第一级电路的噪声要求是最为严格的，也是整个系统的噪声性能影响最为重要的。LNA的主要任务是在产生尽可能低噪声的前提下对射频信号进行放大以降低后级模块产生的噪声对信号的影响。为了达到这样的效果，LNA 与外界的匹配对其自身以及整个接收机而言起到了至关重要的作用，而通常是要求LNA 的输入阻抗达到50 Ω。总的来说，希望LNA 具有高增益，低噪声系数，高线性度和低功耗等性能。（只考虑单频GPS信号，即只需要窄带LNA） 对于LNA 结构的选择而言，通常有四种拓扑结构供选择，分别是：输入端并联电阻的共源放大器结构；并联-串联反馈放大器结构；共栅放大器结构；源简并电感型共源放大器结构。并且： （1）输入端并联电阻的共源放大器结构： 文献[1]分析了该结构的放大器。通过并联50 Ω的电阻来达到匹配的效果。虽然主极点频率提高了一倍，但是放大器的低频电压增益下降了一半。并联电阻的加入使得：a:引入了与输入源噪声一样大小的热噪声，该热噪声使得该放大器的噪声系数比较大。B:信号进入共源放大器之前就衰减了一半，增加了共源放大器内部产生的噪声对噪声系数的贡献。由于噪声性能很差，不是理想的低噪声放大器结构。 （2）共栅放大结构： 当栅源寄生电容不是很大，工作频率不是很高时，即输入阻抗虚部不是很大时，可以实现较好的阻抗匹配。高频下，各种寄生效应和晶体管源端所接偏置阻抗引入的噪声都会降低放大器的噪声性能。在某些性能要求不高的应用中，这种结构可以作为低噪声放大器来使用。该结构还可作为宽带低噪声放大器的一个可选结构，加以改进和优化用来实现宽带低噪声放大器。
13G_LNA设计
13GHz低噪声放大器设计 引言 本设计应用于12.7?13.25GHz的对点微波频段用点。在该应用中收信机的噪声性能直接影响到接收灵敏度，而收信机的噪声主要由输入端低噪声放大器(LNA)的噪声和增益决定。这个波段的LNA方案既可以采用单片微波集成电路(MMIC)，也可以用高电子迁移率场效应管(HEMT)配以专门的匹配电路来实现。前者相对容易，但成本较高，且性能不如后者；对于后者主要设计难点有两个，即稳定性和兼顾噪声匹配与功率匹配。 本设计采用了Eunyda公司的FHX13LG HEMT管，采用了三级级联的形式。设计中对输入和级间匹配电路进行了优化，兼顾了噪声匹配和功率匹配，同时确保放大器在全频带内无条件稳定，因此放大器的输入端无须接隔离器。根据设计制作了试验板，实测结果放大器的增益24dB，噪声系数为1.7dB，输入回 所有放大管偏置在产品手册建议的2V/10mA；基片采用Rogers的Ro4003，厚度8mil。整个LNA结构如图1所示，整个电路由匹配电路和放大管组成。匹配电路分输入匹配电路(TRX LNA13InputMatch)、第一、二级级间匹配电
路(TRX LNA13Match12)、第二、三级级间匹配电路(TRX LNA13Match23)和输出匹配电路(TRX LNA13OutputMatch)，下面逐一介绍。 第一、二级级间匹配电路 尺寸。这些尺寸以输入输出端同时作功率匹配时最大资用增益的平坦度为优化目标参数作了优化。 输入匹配电路 图4给出了输入匹配电路的原理图，包括每根传输线和分支线的尺寸，该模块实现双口同时功率匹配的输入端匹配。由于LNA输入端接微带-波导转换，因此无需隔直电容。 输出匹配电路 图5给出了输出匹配电路的原理图，包括每根传输线和分支线的尺寸，该模块实现双口同时功率匹配的输出端匹配。 电源馈入模块 图6给出了电源馈入模块的原理图，包括高阻传输线和扇形面的尺寸。该模块的优化目标是使从端口1看进去的带内阻抗尽量高。
利用GaAs PHEMT设计MMIC LNA
利用GaAs PHEMT设计MMIC LNA 在通信接收器中低噪声放大器(LNA)对于从噪声中析出信号十分关键。控制系统内噪声还有其他技术，包括过滤和低温冷却，但低噪声放大器的良好性能，提供了一种被实践所验证的可靠的管理通信系统噪声的方法。随之而来的是对工作于X频段(8GHz)的低功率(电池供电)LNA 设计的探索。设计比较了在目标是工作于的几毫瓦DC电源的单片微波集成电路(MMIC)中，GaAs PHEMT增强型(E模式)和耗尽型(D模式)晶体管的使用。 低功率工作目标与处理不必要的(blocking)信号的应用相互矛盾。这类应用要求严格过滤和/或具有良好线性的LNA，其线性特性以三阶截止点(IP3)表示。还有，许多如全球定位系统(GPS)接收器等无线应用，可利用低功率LNA增强在没有干扰或blocking信号时的弱信号。 考虑用于LNA设计的GaAs PHEMT有两种不同的器件形式：具有典型负栅阈值电压的D模式晶体管和具有正栅阈值电压的E模式晶体管。正栅阈值电压简化了电池供电系统中的偏压。尽管有可能采用一节电池对D模式器件供电，但它需要消耗额外的流入源电阻的DC功率以满足偏压要求。 在LNA设计中，第一步是确定哪种类型器件提供最好的功能与性能的组合。下一步是选择器件的大小尺寸。器件尺寸将影响LNA的带宽、DC功耗、噪声值和非线性性能。对于一阶效应，器件尺寸不会影响增益和噪声值。然而，随着器件变得更小，匹配电路和相互联接的电阻损耗相对于器件阻抗而增加，大大增加了噪声值。 器件尺寸的选择在MMIC LNA设计中是关键的一步。漏偏电流对噪声值的影响甚至比漏偏电压的影响更大。此外，漏偏还影响放大器增益。没有足够大的电流，增益会很低。一般来说，LNA对于漏饱和电流(IDSS)偏置15%~20%，作为增益与噪声的折衷。IDSS与器件尺寸成比例，所以较大器件将比较小器件消耗更大功率。降低DC功耗的一个途径是在维持15%~20%的IDSS 偏置的同时减小器件的尺寸。 降低漏电压将降低DC功耗，但器件的漏电压必须足够高以使其工作于饱和区并能够放大。除了随器件尺寸缩小噪声值增大和增益减小外，使用过小的器件还有其他缺点。包括非线性效应和由于IP3表现不佳造成的对工作带宽内干扰信号的易感性。最适合匹配50欧姆系统的器件尺寸也有一定范围。尺寸比这一优选范围小或大都趋于减少带宽，也许在窄带应用中还不太考虑，但在中等带宽应用中的确很重要。所以，尽可能缩小器件尺寸以降低功耗的直觉倾向，由于其他性能问题而有所缓和。这样，设计的功耗目标确定为毫瓦级。 一旦选定了器件尺寸、偏置电流和偏置电压，下一步是设计LNA的匹配电路。对于一般器件通常提供有非线性和线性器件模型或S参数，但它们都针特定器件尺寸，如300μm进行了优化。器件尺寸增大和缩小，误差都会随之增大，虽然我们还不清楚由于器件尺寸增大和缩小而增大的误差有多大。反复设计流程被用于开发LNA以及电路布局，并且一直要进行各种检查。最后，在将设计发出制造之前，还要进行布局设计规则检查(DRC)。 图1和图2分别显示了近乎相同的D模式和E模式LNA的布局。因为除掺杂物不同外，两种器件的GaAs制造工艺相同，只是要求匹配电路有一点点不同，以在E模式设计上优化D模式设计。虽然两种设计均针对一个偏置点进行了优化，还是要在各种电压和电流范围进行测试，以确定性能能力和DC功耗限制。 虽然两种LNA在布局上几乎一样，仿真显示在同样的DC功耗下，E模式PHEMT有更好的性能。基于计算机仿真，E模式设计比D模式PHEMT设计在1-dB压缩(P1dB)有更好的增益、噪声值和输出功率。表1对比了不同DC偏置点上的两种LNA性能。
利用ADS进行低噪放LNA的设计
利用ADS 来设计的LNA 低噪声放大器设计的依据和步骤： ? 满足规定的技术指标 噪声系数（或噪声温度）；功率增益；增益平坦度；工作频带；动态范围 输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50Ω 步骤： ? 放大器级数（对于我们，为了便于设计和学习，通常选择一级） ? 晶体管选择 ? 电路拓扑结构 ? 电路初步设计 ? 用CAD 软件进行设计、优化、仿真模拟 一、 低噪声放大器的主要技术指标 1．LNA 的噪声系数和噪声温度 放大器的噪声系数NF 可定义如下 out out in in N S N S NF //= 式中，NF 为微波部件的噪声系数； S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪声功率； S out ，N out 分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。
通常，噪声系数用分贝数表示，此时 )lg(10)(NF dB NF = 放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度T e 来表达。噪声温度T e 与噪声系数NF 的关系是 )1(0-?=NF T T e 式中，T 0为环境温度，通常取为293K 。 2．LNA 的功率增益、相关增益与增益平坦度 微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共扼增益、单向化增益等。 对于实际的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50Ω标准阻抗情况下实 功率增益的大小还会影响整机噪声系数，下面给出简化的多级放大器噪声系数表达式： (112) 131 21+-+ -+ =G G N G N N N f f f f 其中：f N －放大器整机噪声系数； 321f f f N N N ，，－分别为第1，2，3级的噪声系数； 21G G ，－分别为第1，2级功率增益。从上面的讨论可以知道，当前级增益G 1和G 2足够 大的时候，整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。因此多级放大器第一级噪音系数大小起决定作用。作为成品微波低噪音放大器的功率增益，一般是20－50dB 范围。 增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，常用最高增益与最小增益之差，即△G(dB)表示。 3．工作频带不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪音要满足要求，并给出各频点的噪音系数。时的输入功率值。 4．动态范围是指低噪音放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数N f 给定时，输入信号功率允许最小值是： M f kT N P m f )(0min ?= 其中： m f ?－微波系统的通频带(例如中频放大器通频带)； M － 微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数； T 0－ 环境温度，293K 。 动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系数 5．端口驻波比和反射损耗 低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。 此外，由于微波场效应晶体或双极性晶体管，其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB 规律随频率升高而下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能采用低频段失配的方法来压低增益，以保持带内增益平坦，
ADS设计LNA
利用ADS设计LNA 2000级电科（1）班季博3001143009 低噪声放大器设计的依据和步骤： ?满足规定的技术指标 噪声系数（或噪声温度）；功率增益；增益平坦度；工作频带； 动态范围 输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50Ω 步骤： ?放大器级数（对于我们，为了便于设计和学习，通常选择一级）?晶体管选择 ?电路拓朴结构 ?电路初步设计 ?用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟 一、低噪声放大器的主要技术指标 1．LNA的噪声系数和噪声温度 放大器的噪声系数NF可定义如下 式中，NF为微波部件的噪声系数； S in，N in分别为输入端的信号功率和噪声功率； S out，N out分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；
信噪比下降的倍数就是噪声系数。 通常，噪声系数用分贝数表示，此时 )lg(10)(NF dB NF = 放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度T e 来表达。噪声温度T e 与噪声系数NF 的关系是 )1(0-?=NF T T e 式中，T 0为环境温度，通常取为293K 。 2．LNA 的功率增益、相关增益与增益平坦度 微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共扼增益、单向化增益等。 对于实际的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50Ω标准阻抗情况下实 低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益G 要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低2－4dB 。 功率增益的大小还会影响整机噪声系数，下面给出简化的多级放大器噪声系数表达式： (11) 213121+-+-+=G G N G N N N f f f f 其中：f N －放大器整机噪声系数； 321f f f N N N ，，－分别为第1，2，3级的噪声系数； 21G G ，－分别为第1，2级功率增益。从上面的讨论可以知道，当前级增益G 1和G 2足够大的时候，整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。因此多级放大器第一级噪音系数大小起决定作用。作为成品微波低噪音放大器的功率增益，一般是20－50dB 范围。 增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，常用最高增益与最小增益之差，即△G(dB)表示。 3．工作频带不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪音要满足要求，并给出各频点的噪音系数。动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。 4．动态范围是指低噪音放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围。动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声系数N f 给定时，输入信号功率允许最小值是： M f kT N P m f )(0min ?= 其中： m f ?－微波系统的通频带(例如中频放大器通频带)； M － 微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数； T 0－ 环境温度，293K 。 5．端口驻波比和反射损耗 低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结果会偏离驻波比最佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。 此外，由于微波场效应晶体或双极性晶体管，其增益特性大体上都是按每倍频程以6dB 规律
lna设计指南
低噪声放大器设计指南 1．低噪声放大器在通讯系统中的作用 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下： S min = -174+ NF+10㏒BW+S/N (1) 由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N 已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF ，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。 低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 2． 低噪声放大器的主要技术指标： 2．1 噪声系数NF 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 其中 F min 为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的， Γ opt 、Rn 和Γs 分 别为获得 F min 时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： NF=NF 1+(NF 2-1)/G 1+(NF 3-1)/G 1G 2+…… （4） 其中NF n 为第n 级放大器的噪声系数，G n 为第n 级放大器的增益。 在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为： T e = T 0 ( NF – 1 ) （5） 其中T e 为放大器的噪声温度，T 0 =2900 K ，NF 为放大器的噪声系数。 NF(dB) = 10LgNF （6） 2． 2 放大器增益G ： 放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值： G=P out / P in （7） 从式（4）中可见，提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。 所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。 2 2 2 min | 1)||1(| |4opt s opt s n R NF NF Γ-Γ-Γ-Γ+=out out in in N S N S NF // =
基于ATF54143的LNA设计
基于ATF54143的L NA 设计 张小兵,陈德智 (华东师范大学 上海 200062) 摘 要:主要通过对低噪声放大器(L NA )的一些主要指标:增益、噪声系数、稳定性等的研究,同时讨论了低噪声放大器具体匹配电路和偏置电路的设计,基于A TF54143进行了低噪声放大电路设计,通过ADS 对电路的仿真研究,并通过对仿真结果反复分析及对电路的不断改进,最后测得实验结果,电路各项指标均达到要求,并有一定裕量。 关键词:低噪声放大器(L NA );稳定性;匹配电路;偏置电路 中图分类号:TN014 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2007)202165203 L NA Design B ased on ATF54143 ZHAN G Xiaobing ,CH EN Dezhi (East China Normal University ,Shanghai ,200062,China ) Abstract :This paper mainly discusses some figures of Low Noise Amplifier (L NA ),gain ,noise figure ,stability and so on ,and discusses how to design the matching circuit and bias circuit of the L NA ,also designs a L NA based on A TF54143.Then simulated by ADS ,by analyzing the results and modifying the circuits for many times ,all figures are required and are better than the requirements. K eywords :Low Noise Amplifier ;stability ;matching circuit ;bias circuit 收稿日期:2007205223 低噪声放大器(LNA )是射频微波电路接收前端的主要部分,由于他位于接收机的最前端,要求他的噪声越小越好,但又要求有一定的增益,最小噪声和最大增益一般不能同时满足,获取最小噪声和最大功率是矛盾的,一般电路设计总是选择折中的方案来达到设计的要求,以牺牲一定的增益来获得最小噪声,而在射频微波通信电路中,需要处理微弱的射频微波信号,因此,讨论合适的低噪声放大器电路的设计具有非常实际的意义。安捷伦公司的 A TF54143是一种增强型伪高电子迁移率晶体管(E 2p H EM T ),不需要负栅极电压,与耗尽型管相比较,可以简 化排版而且减少零件数,该晶体管最显著的特点是低噪声,并具有高增益、高线性度等特性,他特别适用于工作频率范围在450M Hz ～6GHz 之间的蜂窝/PCS/WCDMA 基站、无线本地环路、固定无线接入和其他高性能应用中的第一阶和第二阶前端低噪声放大器电路中。1 级联电路噪声分析 噪声是指电路中不期望的扰动或者干扰,本质上是一个随机过程,既可以由电路器件本身引入。也可以由电磁耦合引入。在实际电路中,任何无源器件或有源器件都可以看成是等效的噪声源,一般有源器件的噪声大于无源器件的噪声。在放大电路的噪声分析中,多数情况下使用噪声系数进行计算比较方便。噪声系数NF 定义为:在标准 室温(290K )下,放大电路的输出总噪声功率P T NO 与P T NO 中由输入端电阻的热噪声导致的噪声可用功率P I NO 的比 值[1,2]。噪声系数NF 可表示为: N F =P T NO P I NO =G K T 0B +G K T e B G K T 0B =1+ T e T 0(1) 其中,T 0为标准室温;T e 为放大电路输入端的等效噪声温度;G 为放大电路的可用功率增益;B 为频带宽度;K 为玻尔兹曼常数。噪声系数是一个比值,用对数表示为: N F =10lg (1+ T e T 0 )dB (2) 当射频放大电路级联在一起时,两级放大电路的可用功率增益分别为G 1,G 2,噪声系数分别为N F 1,N F 2,等效噪声温度分别为T e 1 ,T e 2 ,如图1 所示。 图1 两级级联放大电路噪声分析图 根据噪声系数的定义,该级联放大电路的噪声系数可以表示为: N F = P NO2P I =P NO1G 2+G 2K T e 2B P I =N F 1+ N F 2-1 G 1 (3) 由此可知,级联放大电路的噪声系数主要取决于电路 5 61《现代电子技术》2007年第20期总第259期 集成电路
射频射频LNA设计
《射频集成电路设计》课程设计报告 LNA的设计和仿真 专业：集成电路 班级：电子0604 学号：200681131 姓名：高丕龙
LNA的设计和仿真 一．实验目的： 1.了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。 2.学习使用ADS软件进行微波有源电路的设计，优化，仿真。 3.掌握低噪声放大器的制作及调试方法。 二．原理简介 1.低噪声放大器 低噪声微波放大器（LNA）已广泛应用于微波通信、GPS接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及各种高精度的微波测量系统中，是必不可少的重要电路。LNA是射频接收机前端的主要部分，它主要有以下四个特点： 首先，它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在工作频段内应该是稳定的。其次，它所接受的信号是很微弱的，所以低噪声放大器必定是一个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的，在接受信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入，因此要求放大器有足够的线型范围，而且增益最好是可调节的。再次，低噪声放大器一般通过传输线直接和天线或者天线滤波器相连，放大器的输入端必须和他们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最小的噪声系数，并保证滤波器的性能。最后，它应具有一定的选频功能，抑制带外和镜像频率干扰，因此它一般是频带放大器。 LNA低噪声放大器的主要指标如下： 1）工作频率与带宽2）噪声系数3）增益 4).放大器的稳定性5）输入阻抗匹配6）端口驻波比和反射损耗 在设计较高的频段低噪声放大器，通常选用场效应管FET和高电子迁移率晶体管（HEMT）。影响放大器噪声系数的因素除了与所选用的选用元器件有关外，电路的拓扑结构是否合理也是非常重要的。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，放大器存在着最佳的信号源阻抗Zso，此时，放大器的噪声系数应该是最小的，所以放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计，也就是根据所选晶体管的Гopt来进行设计。为了得到较高的功率增益和较好的输出驻波比，输出匹配电路则采用共扼匹配。输入匹配电路在达到最佳噪声时，放大器的输入阻抗未必恰好与信号源阻抗匹配，因而功率放大倍数不是最大。设计放大器时，首先考虑的是噪声尽可能低，其次才考虑增益的问题。因此，牺牲一点增益来换取噪声系数的降低是必要的，两者之间应该取一个合适的折中。LNA采用两级放大的方式来实现，为使放大器具有更低的噪声，第一级的工作点应根据最小噪声系数来选取最佳的工作电流。为保证有足够的增益，第二级应从最佳增益条件来考虑，同时兼顾噪声。 2.仿真设计软件ADS Advanced Design System(ADS)软件在射频电路仿真与设计方面应用广泛，可对高频电