低噪声放大器
低噪声放大器工作原理
低噪声放大器工作原理
低噪声放大器是一种能够放大弱信号且尽量减少添加噪声的电子设备。
其工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 信号输入：低噪声放大器的输入端接收来自于传感器或其他信号源的弱信号。
2. 信号放大：接收到的弱信号经过低噪声放大器的放大器部分，通过使用合适的放大电路（如晶体管或运放等），使信号得到放大。
3. 降噪处理：为了减少放大过程中引入的噪声，低噪声放大器通常会采取一系列的降噪处理措施。
例如，可以通过使用低噪声元件、降低放大器的温度、减小放大器的带宽等方式来降低噪声。
4. 输出信号：经过放大和降噪处理后，信号被送到低噪声放大器的输出端。
输出信号可以进一步传递给其他电路或设备，供后续处理和分析。
总的来说，低噪声放大器通过放大输入信号并尽可能地减少噪声水平，提供了清晰、可靠的放大后输出信号。
这使得低噪声放大器在许多领域中广泛应用，如无线通信、生物医学、天文学等。
低噪声放大器的原理
低噪声放大器的原理
低噪声放大器是一种电子设备，用于放大电信号，同时尽量减小噪声的干扰。
其原理主要包括以下几个方面：
1. 输入电路设计：低噪声放大器的输入电路采用高阻抗、低噪声的元件和结构设计，以减小对输入信号的干扰。
常见的设计技巧包括使用高阻抗输入电路、采用薄膜电阻、陶瓷电容等元件，以及合理布局和屏蔽设计等。
2. 放大器结构：低噪声放大器通常采用共基极、共集极或共源极等结构，以提供高增益和低噪声。
其中，共源极结构被广泛应用于射频放大器，其工作原理是利用场效应管的高输入阻抗和低噪声系数。
3. 负反馈设计：通过引入负反馈，可以有效降低放大器的噪声系数。
负反馈可以利用输出与输入之间的比例关系来抵消放大器内部的噪声。
常见的负反馈设计技巧包括采用电阻网络、差分输入等。
4. 电源噪声抑制：低噪声放大器需要通过设计合理的电源滤波电路来减少电源噪声的影响。
这可以通过使用电源滤波电容、电感等元件来实现。
总体来说，低噪声放大器通过合理的电路设计和结构选择，以及负反馈和电源噪声抑制等技术手段，目的是尽量减小放大器本身引入的噪声，从而提供纯净的放大信号。
第五章低噪放1
②负载，一般 50Ω---单级放大增益不会太高
负载形式：① LC谐振回路---谐振阻抗
②集中参数滤波器（ 50Ω）---阻抗要匹配
（5）增益控制 通过检测接收信号电平自动改变增益，信号强减小增益 信号弱增益变大
方法：①自适应改变工作点 ②自适应改变负反馈量
（6）输入阻抗匹配 放大器与信源匹配方式：①噪声系数最小---噪声匹配
②功率传输最大---共轭匹配 匹配网络：①纯电阻网络---适用于宽带放大，但功耗和噪声大
②纯电抗网络---宽窄带均适用，不增加噪声、功耗小 匹配形式： ① 共源(射)组态---输入电阻很大
匹配简单，并联所需电阻即可，但噪声增大
② 共栅(基)组态---输入阻抗 ≈ 1 gm，改变偏置即可实现匹配
失配状态下功率传输有损耗---称为回波损耗
回波损耗： RL(dB) = −20 log Γ
5.4.2 双端口网络S参数
1. 双端口网络S参数定义 S 参数方程：
端口1 入射波
正向传输
端口2 入射波
{ V1r = S11V1i + S12V2i V2r = S V 21 1i + S V 22 2i
= V2r V2i
= S22
+ S12 S21ΓS 1 − S11ΓS
单端口网络 Γ = Vr /Vi = S 电压驻波比 VSWR 的定义： VSWR = 1+ Γ
1− Γ
电压驻波比/反射系数---衡量信源与负载匹配状态的参数
通常 0 ≤ Γ ≤ 1， 1 ≤ VSWR ≤ ∞
由 Γ = ZL − Z0 ZL + Z0
VSWR = 1+ Γ 1− Γ
低噪声放大器 原理符号
低噪声放大器原理符号低噪声放大器（LowNoiseAmplifier，LNA）是无线通信设备中的关键组件，它负责提升信号的强度，以便于后续的信号处理。
在电路符号表示中，低噪声放大器通常以一种特定的形式进行表示。
一、原理低噪声放大器的工作原理主要是通过放大微弱的信号电流，同时抑制噪声和干扰。
它的输入信号通常来自天线或其他接收器，其输出信号经过处理后可以进一步传递到下一级电路。
在放大信号时，低噪声放大器的一个重要指标是噪声系数（NoiseFactor），它表示放大器输入端的噪声与输出端的噪声之比。
低噪声放大器的噪声系数通常应该尽可能的小，以确保放大后的信号强度更高，而干扰和噪声的影响更小。
二、符号表示在电路图中，低噪声放大器通常以特定的符号进行表示。
其基本形式通常是一个简单的二极管加一个放大器，下面我们来详细解释这个符号的含义：1.放大器部分：通常是一个开环的差分放大器，用于放大微弱的信号电流。
2.二极管：表示低噪声放大器的输入端，它接收来自天线的微弱信号。
3.箭头：表示信号的流向，即输入端的信号被放大后，输出到下一级电路。
4.环绕箭头：表示噪声的抑制，这个符号的含义是低噪声放大器能够有效地抑制干扰和噪声，从而提升信号的质量。
此外，在一些具体的电路图中，可能还会在符号旁边添加一些其他的参数和标注，例如放大器的增益、带宽、噪声系数等。
三、应用低噪声放大器在无线通信系统中有着广泛的应用，例如在移动电话、无线路由器、无线基站等设备中都扮演着重要的角色。
通过提高信号的强度和降低干扰和噪声的影响，低噪声放大器使得无线通信设备能够更好地工作，提供更稳定、更可靠的通信服务。
四、总结低噪声放大器是无线通信设备中的关键组件，通过放大微弱的信号电流并抑制干扰和噪声，它对于提高通信质量和稳定性具有重要作用。
在电路符号表示中，低噪声放大器通常以特定的形式进行表示，包括一个简单的二极管加一个放大器，以及一些其他的参数和标注。
低噪声放大器..
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
低噪声放大器 核心参数
低噪声放大器核心参数低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）是一种用于增加信号幅度而又尽量减小噪声的放大器。
在无线通信、雷达、卫星通信和其他接收系统中，低噪声放大器起到了至关重要的作用。
为了设计出性能优越的低噪声放大器，需要对其核心参数有深入的了解。
在本文中，我们将详细介绍低噪声放大器的核心参数，并对其进行分析和讨论。
1. 噪声指标低噪声放大器最为重要的参数之一就是噪声指标。
噪声指标通常用于描述放大器在增益条件下的噪声性能。
常见的噪声指标包括噪声系数（Noise Figure，NF）、噪声温度（Noise Temperature，Tn）、噪声系数与增益的乘积（Gain Bandwidth Product，GBP）等。
噪声系数是描述放大器引入信号噪声的指标，一般以分贝（dB）为单位，数值越小代表噪声性能越好。
而噪声温度描述了放大器引入的噪声相当于理想传输线路引入的噪声温度，单位为开尔文（K）。
噪声系数与增益的乘积则是评价放大器噪声性能的综合指标。
2. 增益增益是低噪声放大器的另一个核心参数。
增益表示放大器输出信号与输入信号的幅度比值，通常用分贝（dB）表示。
增益越大意味着放大器输出信号的幅度增加的越多，但也需要注意，在增益增大的同时可能会伴随着噪声的增加。
低噪声放大器需要在保证足够增益的前提下尽量减小噪声。
3. 带宽低噪声放大器的带宽也是一个重要参数。
带宽指的是在放大器工作范围内的频率范围，通常用赫兹（Hz）表示。
低噪声放大器需要具有足够的带宽，以确保对输入信号的覆盖范围足够广，同时也需要避免出现频率失真等问题。
4. 饱和输入功率饱和输入功率也是低噪声放大器的重要参数之一。
饱和输入功率指的是在放大器输出的信号出现压制之前，输入信号的功率大小。
通常用分贝毫瓦（dBm）来表示。
饱和输入功率越大，意味着放大器能够承受更大的输入信号功率而不至于出现失真等问题。
5. 稳定性低噪声放大器的稳定性也是一个重要的核心参数。
《低噪声放大器设计》课件
低噪声放大器（LNA）是一种专门设计的电子器件，主要用于接收微弱信号并 进行放大。在无线通信、雷达、电子战等领域中，低噪声放大器被广泛应用于 提高信号的信噪比，从而提高接收系统的灵敏度和性能。
低噪声放大器的性能指标
总结词
低噪声放大器的性能指标主要包括增益、噪声系数、线性度等。
详细描述
增益是低噪声放大器的重要指标，表示放大器对输入信号的放大倍数。噪声系数是衡量低噪声放大器性能的重要 参数，表示信号在放大过程中引入的噪声量。线性度则表示放大器在放大信号时保持信号不失真的能力。
采取电磁屏蔽、滤波等措施， 减小外部噪声对放大器性能的 影响。
降低闪烁噪声
采用适当的偏置条件和频率补 偿，降低闪烁噪声的影响。
03
CATALOGUE
低噪声放大器的电路设计
晶体管的选择
总结词
晶体管的选择是低噪声放大器设计的关 键，需要考虑其噪声性能、增益、稳定 性等参数。
VS
详细描述
在选择晶体管时，需要考虑其噪声性能， 通常选用低噪声晶体管以减小放大器的噪 声。同时，需要考虑晶体管的增益，以保 证放大器能够提供足够的增益。此外，稳 定性也是需要考虑的一个重要参数，以确 保放大器在工作时不会发生振荡或失真。
匹配网络的设计
总结词
匹配网络的设计对于低噪声放大器的性能至 关重要，其主要作用是减小信号反射和减小 噪声。
详细描述
匹配网络是低噪声放大器中不可或缺的一部 分，其主要作用是减小信号反射和减小噪声 。设计时需要考虑阻抗匹配和噪声匹配，以 使信号尽可能少地反射回源端，同时减小放 大器的噪声。常用的匹配网络有LC匹配网络 、微带线匹配网络等。
《低噪声放大器设 计》ppt课件
目 录
低噪声放大器介绍
低噪声放大器低噪声放大器是一种具有优良噪声特性而增益较高的小信号放大器，一般位于接收机的前端，是决定整个接收系统噪声特性的关键部件。
目前常见的低噪声放大器有以下几种：低温制冷参量放大器、常温恒温参量放大器、微波场效应晶体管放大器和高电子迁移率晶体管放大器等。
参量放大器采用变容电抗元件（变容二极管）对信号进行放大，可以获得满意的低噪声性能，进一步降低其工作的环境温度（例如环境温度达20K），会大幅度改善其噪声性能。
然而随着金属半导体场效应晶体管性能的改善与提高，低噪声场效应放大器的噪声性能已接近于常温参量放大器的水平。
同时，由于FET放大器具有性能稳定、结构紧凑、价格低廉等优点，它已逐步取代了参量放大器。
目前，Ku频段以下的低噪声放大器普遍采用低噪声FET放大器。
继低噪声MESFET之后，高电子迁移率晶体管（High Electron Mobiliey Transistor），简称HEMT器件，获得了迅速的发展。
它在低噪声、高工作频率方面比FET更优越，已广泛投入使用。
目前广泛使用的是金属半导体场效应管低噪声放大器。
它的核心部件是金属半导体场效应管（MESFET）。
金属半导体场效应管是用本征砷化镓作为基片的衬底，用特殊工艺形成源极（S）、栅极（G）和漏极（D）三个电极；通过栅极电压来控制漏极电流，从而实现对小信号的放大功能。
微波场效应管的主要参数有：特征频率、单向功率增益和最大振荡频率、最大输出功率和噪声特性。
微波场效应管低噪声放大器设计主要考虑的问题是计算输入、输出匹配网络和选择工作点。
通常第一、二级按最小噪声系数设计，中间级按高增益设计，末级则保持良好的线性，满足系统互调特性的要求。
微波场效应管低噪声放大器的设计步骤：1、 选择适当的电路形式一般采用共源极电路形式，并尽可能选用f T 高的管子。
一般0)5~3(f f T =。
2、 确定工作点和偏置电路小信号管做低噪声放大时，漏极电流很小，一般为10mA 左右。
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C题——低噪声放大器2011年苏州地区高校“AMD”杯电子设计竞赛小组编号：11044摘要本系统使用TI公司的OPA842运算放大器，TH3091功率放大器为主要控制器，辅以电源、MSP430系列单片机，LCD显示等电路。
实现了低噪声放大的目标。
OPA842提供了单片运算放大器无法实现的速度和动态范围水平的要求。
主机采用LCD显示，用户界面友好。
在系统设计上，尽可能的降低功耗，低噪声。
整个系统结构清晰，经测试，该系统较好的实现了题目所要求的基本和发挥功能。
0引言放大器的应用在工业技术领域中得到了广泛的认可，在许多场合下需要将传感器得到的微弱电信号放大来驱动相应的执行机构。
比如电子秤，压力传感器转化得到的电信号十分微弱，不足以驱动相应的显示功能和准确的被辨识，所以需要放大器将此微弱的电信号进行放大。
本文设计实现了一个宽带增益放大器，采用220V 交流电供电，核心部分采用TI 公司的高速运算放大器OPA842进行前级放大，中间采用射级电压跟随器，采用电流反馈型功率放大器THS3091作为末级放大部分，驱动50Ω阻性负载。
最终输出增益达到43.5dB ，最大不失真输出电压峰峰值达到15V 。
输出信号采用AD637进行峰值检测，经过A/D 转换接入MSP430F149型16位单片机微控制器LCD 显示出峰峰值大小，并且能够用普通220V 交流电进行供电。
带宽为20HZ —3M ，在达到3MHZ 后以40dB 的速率衰减。
1 方案设计与论证1.1 系统总体方案经过仔细的分析和论证，此宽带放大器将分为五个模块：前级放大电路，中级电压跟随电路，后级功率放大电路，峰值检测电路和单片机显示模块。
前级放大器OPA842和电压跟随器OPA692需±5V 直流供电，后级功率放大器THS3091需±15V 直流供电，故考虑采用电源模块专门进行电源的输出。
输入电压经过两级OPA842放大后，增益能够达到20倍以上，满足带宽后输出信号进入功率放大，输出电压峰峰值达到15V 。
峰值检测出电压值经过AD 转换后可实时显示在LCD 上。
系统的总体方案图：图1.2单元设计方案1.2.1 前级放大经论证选择两种方案来实现放大，对比和采用情况如下：方案一：放大倍数要求大于40dB，选择NE5532设计的放大器，放大低频信号很成功，但是当频率大于1M后增益即沿着偶那个衰减。
3M时不仅电压无放大，反而衰减为输入信号的一半。
方案二：采用单片集成的放大电路来放大电路。
用两片OPA842串联而成，由于OPA842的带宽增益积较大，可用其作为前级输入放大。
并且用两片放大器保证放大的信号倍数和带宽符合要求。
此方案电路简单，调试容易，自激比较小，因而选取此方案。
信号输入Vi1信号输出V o1前级放大我们要在前级放大电路中放大倍数为100倍，同时满足5M的带宽，两级OPA842放大倍数稳定最大为20倍，从电路图可以看出。
前级放大电路的增益为G=1+/。
当两只电阻的输入至少满足3倍关系后，输出电压的幅值可达到输入电压信号的4倍。
所以可以设置第一级OPA842放大为4倍，第二级OPA842放大5倍左右即可。
1.2.2功率放大方案为使在负载为50Ω的电阻上最大输出电压峰峰值大于10V，且波形无明显失真，需要进行功率放大输出。
方案一：采用分立元件实现带宽功率放大器，可以实现较大的输出电压，但需采用多级高频放大电路，受电路分布参数影响，调试难度大，带宽难以保证，所以不选用此方案。
方案二：采用BUF634实现功率放大。
外围电路简单，容易实现。
但BUF634的最大输出功率较低，不能到达电路的输出要求，因而不选用此方案。
方案三：采用单片集成宽带运算放大器THS3091提供较高的输出电压，通过并联运放的方式扩流输出。
此方案电路简单，提升放大器带负载的能力。
调试难度较小，且输出功率满足要求，故选用此方案。
输入V o3(V o2)输出V o3功放采用的是低噪声、GBW达百兆以上的THS3091。
由于放大倍数为5，电源电压为正负15v，故最大带宽可达150MHz。
带负载后最大不失真电压可10v以上，符合要求。
1.3射级跟随器（电压跟随器）选用NE5532设计一个射级跟随器，基础部分选取频率大于3MHz后衰减，后期发挥部分选取5MHz后衰减。
输入Vi2（V o1）输出V o2设计跟随器设计跟随器仿真图仿真图重合，波形不变，跟随器效果实现效果。
1.4峰值检测设计方案方案一：用二极管电容型进行峰值检测，可将场效应管当作二极管用，可有效减小反向电流同时增加运放的输出运输力。
优点是性价比高，但是此方案电路复杂，容易自激，峰值检测效果不好，因而不选用此方案。
方案二：采用AD637集成芯片进行峰值检测，芯片输出的是有效值，和电路的输入信号峰峰值有固定的联系。
同时此电路简单，调试容易，并且显示稳定，因而采用此方案。
我们选用AD637来进行峰值检测，它能够有效地检测出输入信号的有效值，其基本电路图如下：CAv=1uf，CUc=3.3uf。
2．电路分析2.1 放大器的稳定性系统前级输入放大和后级功率放大总共可达100dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减小噪声。
我们采用下述方法减小干扰，避免自激，提高放大器的稳定性：1.构建闭路环。
严格按信号走向布线，前级放大电路将整个地线连接在一起，缩短地线的回路，吸收高频信号减小噪声。
在功率放大模块也采用此方法，能有效地避免高频辐射。
2.在每个模块都加入滤波电路，能够有效地减小自激振荡。
3.各部分摆放位置严格按照信号的走向，，减小板与板之间的连线长度。
实践证明，电路的抗干扰措施比较好，在整个通频带范围内和整个增益范围内自激都很小，系统稳定。
2软件设计与流程2.1系统软件介绍软件部分采用模块化程序设计的方法，由主控制程序、AD转换程序和LCD显示程序组成。
我们选用MSP430F149型16位单片机微控制器，该器件中断处理能力强，适合于实时、高速的应用领域，在其编译环境下可以内嵌C高级语言，C函数与汇编函数可以很方便的相互调用，所以编程效率高而且可靠。
2.2程序流程图峰值检测AD输入模块流程图：2.3AD转换我们采用的AD芯片为单通道TLC549芯片，其转换精度为5/256≈0.02V，而我们峰峰值检测输出的为有效值，所以我们处理的峰峰值精度为，最大输出的峰峰值约为14.08V3系统测试与误差分析3.1测试仪器（1）UT803多功能数字万用表（2）数字示波器DS1022C（3）F05A型数字合成函数发生器/计数器（4）DF1731SC2A直流电源3.2测试方法硬件模块测试：系统本身由三个独立的模块构成，可以分四部分进行调试。
首先对前级放大电路进行测试，测试前级放大的倍数和带宽是否符合理论。
对于功率放大电路，通过前级的输入电压看是否输出电压的峰峰值大于10V，同时也满足大于5M带宽的要求。
最后测试峰值检测电路，观察它的输出电压和输入电压的关系。
软件模块测试：采用自下而上的调试方式，先进行模块测试程序的调试，待全部通过之后将所有的软件程序串接起来并结合硬件电路进行整体调试。
3.3测试数据前两级输入输出特性,输入：Vpp=100mv,从输出地数据来看，系统的增益和带宽都符合要求。
三级级联并滤波输出，输入Vpp=100mv从输出的来看，系统的增益符合要求，但带宽只能到4M左右，不能达到发挥部分的5M。
3.4结果分析3.4.1实验结果分析从实验的数据来看，第一二级有效地放大了20倍的增益，第三级放大了5倍的增益，满足要求，但是当三级串联时，系统无法达到发挥部分5M的要求，只能输出大概4M的带宽。
3.4.2误差分析我们的误差主要来源于电路的自激，由于电路的局部接线布局不是很合理，并且系统的滤波不够，造成系统有自激现象。
同时由于测试场地有许多的电源和仪器开着电源，电磁噪声很大，影响了测量的输入端的信号。
另外仪器精度不够高，电子器件不够精确，认为存在误差，都使测量数据达不到理论值，但我们通过多次测量取平均值来减小误差。
4实验问题及解决（1）问题：前级放大电路自激。
解决：实验中我们在前级放大电路一直遇到自激的问题，我们在连第一片OPA842时输出波形很好，但当我们接上第二片OPA842时我们发现前一片发生了自激现象。
我们在确保电路完全正确的情况下，开始消除自激。
首先我们减小了每块放大器的放大倍数，我们发现输出波形的毛刺减小了很多。
其次我们在每块输出端加上了一个电容，我们逐步的调节电容值，直到输出的波形比较稳定，从而有效地减小了自激现象。
（2）问题：输入端电压和函数发生器不符合。
解决：实验中我们在输入端接函数发生器时，我们发现输入电压衰减了，这是系统的输入电阻较大的原因，分的一部分函数发生器的电压。
我们在前级放大电路后面接上了一个射极跟随器来稳定输出的电压，当后面接负载时，其电压几乎不会发生变化。
（3）问题：前级放大电路和后级功率放大运放工作电压不同，如何制作电源。
解决：前级功放电路供电需要±5V，后级功率放大运放电压需±15V，我们可以设计一个电源，它经过变压器和桥式电路后整流分别输出±5V和±15V的电压。
（4）问题：在输出端加入电感可以消除自激，但是带宽减小，如何平衡。
解决：在输出段加入电容后，虽然可以减小自激，但是同时也减小了带宽，我们可以在输出端加入RC补偿电路来改善系统的性能，可以保持系统的增益和带宽的平衡。
低噪声放大器5总结综合上述各部分的测试结果，本设计完成了题目基本要求的部分，还较好的完成了题目发挥部分的要求，提高输出电压幅度，同时满足一定的带宽。
在去耦和降噪措施的综合应用保证放大器稳定工作并且降低了噪声。
实验中我们遇到了一些问题，在小组成员的通力合作中得到了圆满的解决。
这次实验不仅增强了我们的实践能力和协作精神，而且让我们懂得了理论联系实际的重要性。
当然我们的设计中还有一些缺陷，还有待于将来设计中进一步提高。
参考文献[1]蔡锦福.运算放大器原理与应用［M］.北京:科学出版社，2006:61-86[2]刘京南等.《电子电路基础》.电子工业出版社，2008年4月.[3]康华光等.《电子技术基础》.高等教育出版社，2006年3月.[4]张华林等.《电子设计竞赛实训教程》.北京航空航天大学. 2007年7月。
10。