RF_Circuit_design(Topic_12)LNA

由公式计算2dB噪声圆的圆心和半径:
2 10
F = 10
Qk = dF =
( F − Fmin ) Z 0 (|1 + Γ opt |) 2 = 0.102 4 RN Γ opt Qk + 1 = 0.563∠100 , rF =
o
Qk [Qk + 1 − (| Γ opt |)] Qk + 1
= 0.245
将上式变换为以 Γ s 为自变量的圆方程，即
等驻波比圆
R I (Γ s − dVRIMn ) 2 + (Γ s − dVIIMn )2 = rV2IMN
其中
dVIMN =
(1 − Γ IMN )Γ
2
1 − Γ s Γ IMN
* in 2
rIMN =
(1 − Γin ) Γ IMN
2
1 − Γ s Γ IMN
3.50
4.00 FREQ[GHz]
4.50
5.00
(b)
图 低噪声放大器设计结果
等驻波比圆
1.2较佳规格， 1.5一般规格， 2.0基本规格。
放大器设计时，通常对其输入或输出端口的 驻波比要求为：1.5≤VSWR≤2.5。 输入、输出端口的VSWR由输入、输出端口 匹配网络确定。 输入、输出匹配网络的设计又受其他设计参 数影响。 为了考察VSWR的影响，将其标在Smith圆图 上。
Real Cs (step):=Re (f (Rs, 2·π·step)+Cs ) Imag Cs (step):=Im (f (Rs, 2·π·step)+Cs )
单向化设计 等增益圆公式
设计实例
相切点的源反射系数为：
Γs＝0.141035+j0.522189 = 0.541∠74.886o
Γs − Γopt = (1 − Γs ) ⋅ 1 + Γopt
2
2
2
Fk − Fmin ⋅ 4R / Z n 0
噪声系数圆
进一步配方整理可得：
Γs − Γopt 1 + Qk
2
=
Qk + Qk (1 − Γopt )
2
2
(1 + Qk )
2
式中， Qk = 1 + Γopt
N0 = 4 RnGopt
NF性质: ① Ys=Yopt时噪声最小
② Γ s=Γopt时噪声最小
• NF min • Rn
1 − Γopt
2
—最小噪声系数 最小噪声系数 —等效噪声电阻 等效噪声电阻
j θ opt
③ Ys与Yopt偏离时，噪声 与Rn有关
• Γ opt = Γ opt e
—最佳的信源反射系数 最佳的信源反射系数
将符合G=8dB，Fk=1.6dB要求 的圆标在圆上。 选定Γs再计算出ΓL，再设计对 应匹配网络。 由ΓMS=0.3∠-18o可知最小噪声 和最大增益无法同时得到。
设计实例
已知 GaAs FET在4.0 GHz的参数为： S11=0.6∠-60o， S12=0.05∠26o ， S21=1.9∠81o ， S22=0.5∠-60o 。 噪 声 参数为：Fmin=1.6dB，Rn=20 ，Γopt=0.62∠100o 。 设计放大器，保证噪声为2dB，增益最大。 解：
2 n 2 2 n * n n
2
2 in 0 输出端总噪声功率 NF = = 2 仅由信源产生的输出端噪声功率 ins 0
2 网络输出端总噪声电流均方值: in20 = inS 0 + in + YS un
2
有噪声网络
Ys
2 un
Z
无噪声网络
(a)
Ys
2 un
i n2
Z
(b)
i + Ys u + 2 Re(Ys u i ) = 1+ 4kTGs B
有源网络噪声参数一般表示式
b = 4kTrb ∆f '
2 ine = 2qI e ∆f
2 inc = 2qI c ∆f 2 in = 2qI c ∆f ⋅ F ( f )
（发射极） （集电极） （分配）
f h = 0.04 I c rb f T
2
Fk − Fmin ⋅ 4R / Z n 0
Fk选定后，Qk为常数。 将上述方程标在Γs的Smith圆图上：
Γs − d Fk
2
= (Γs − d Fk ) + (Γs − d Fk ) = rF2k
R R 2 I I 2
I
圆心： F = d F + jd F = d
T
注：闪烁噪声是所有线性器件固有的随机噪声，也称 作1/f 噪声，因为噪声振幅与频率成反比。
噪声参数估算
根据定义 B=∆ f Y S = G S + jB S 2 网络输出端信源噪声电流均方值: ins 0 = 4kTGS B 等效噪声电压源用等效噪声电 阻Rn表示: un2 = 4kTRn B
NF = 4 kTG s B + in + YsU n 4 kTG s B
2
闪烁(1/f)噪声 最小噪声系数 NFmin ≈ 1 + h(1 + 1 + 2 / h )
2 ind = 4kT∆f g m 0 P
FET
沟道热噪声 2 2 ing = 4kT∆f (ω 2C gs / g m 0 )R 栅感应噪声 谷际散射与高场扩散噪声 闪烁噪声 f NF min ≈ 1 + 2 PR (1 − C 2 ) 最小噪声系数 f
ΓS
1
I
Γopt
ΓS
R
2
Fk = 4dB
Γopt = 0.89∠550 Rn = 20.1Ω Fmin = 0.6dB
噪声系数圆的性质
在等噪声系数圆上各点的Γs值不同，但可得相同的 Fk值。 把等噪声系数圆和稳定判别圆画在同一圆图上时， 对于潜在不稳定情况，可以避开不稳定区而选取稳 定区内的Γs值，以满足同样Fk的要求。 如果Γopt 落在不稳定区，则说明最小噪声系数一般 不能实现。 在圆图上还可画出Γs平面上等功率增益圆，选择时， 可利用等F圆和等GA圆来兼顾噪声和增益的要求。
噪声参数(NFmin、|Γopt|、θopt、Rn)的 噪声参数 Γ 、 的 测量
调整可调匹配器1和可调匹配器2，先使NF达到最 小，再使增益最大，即输出达到匹配，得NFmin FET
窄带 噪声源 调配器1
A
调配器2
噪声系数 测试仪
调匹配器1不动，关噪声源，去掉被测微波管，用 网络分析仪测反射系数得 A
讨论 Γ IMN 的取值。
2
由 Pin = PA (1 − Γ IMN ) 假定匹配网络是无耗网络，又有 Pin = PA 令两式相等，则求出：
Γ IMN
(1 − Γ s )
2
1 − Γin Γ s
2
(1 − Γin )
2
Γ* − Γ s Γ in − Γ* s = = in 1 − Γ s Γin 1 − Γ s Γin
RF Circuit Design: Theory and Application
福州大学通信工程系 许志猛
TOPIC 12
主要内容
有源二端口网络的噪声参量 低噪声放大器的设计方法
设计实例
等驻波比圆
设计实例
宽带放大器
频率补偿网络 平衡放大器设计 负反馈电路
LNA放大器 放大器
现代无线通信系统要求功率辐射小、作用距 离远、覆盖范围大，这对系统的接收灵敏度 提出了更高的要求。 在无线通信系统中，能有效提供灵敏度的关 键因素就是降低接收机的噪声系数NF。 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。 如何通过设计匹配网络，使得放大器的噪声 系数符合设计指标是接下来讨论的问题。
对许多放大器来说，在低噪声前提下对信号进行放大是 系统的基本要求。 遗憾的是，放大器的低噪声要求与其它参数相冲突。例 如，最小噪声特性和最大增益就不能同时实现。 将噪声参数标在Smith圆图上，可以方便观察、比较噪 声系数与增益和稳定性之间的相互关系。 为了将特定的噪声系数Fk与Γs联系起来，我们将上述一 般表达式改写为：
R
k k k
Γopt 1 + Qk
半径： r
Fk
=
Qk + Qk (1 − Γopt )
2
2
(1 + Qk ) 2
噪声系数圆的性质
若给出一系列Fk 值，在 圆图上对应一系列等F 圆：
当Fk=Fmin 时 ，可得最 小 噪声系数。此时Qk=0， 圆心坐标dFk=Γopt ，而且 rFk=0 。 所有等噪声圆的圆心都 落在原点与Γopt 点的连线 上。 噪声系数越大，则圆心 距离原点越近而且圆半 径越大。
噪声系数与反射系数无关，但是却是源阻抗的函数。将 等增益圆映射到Γs上。 映射后的等增益圆： dgs=0.29∠-18o，rgs=0.18。此圆上的Γs都能满足增益要求。
设计实例
要符合噪声系数的指标要求， 必须保证Γs落在Fk=1.6dB等噪 声系数圆内。 等噪声圆的圆心和半径：
Qk=0.2 ，rFk=0.36，dFk=0.42 ∠45o
设计实例
放 大 器 工 作 频 率 f=2.4GHz ， 相 应 的 S 参 量 为 ： 该晶体管的噪声参数为： Fmin=1.5dB，Rn=4Ω， Γopt=0.5∠45o。 解：
S11=0.3∠30o ， S12=0.2∠-60o ， S21=2.5∠-80o ， S22=0.2∠-15o。要求增益为8dB，噪声系数小于1.6dB。
放大器的输出与输入驻波比