清华大学讲稿(低噪声放大器)
低噪声放大器(续)
M8 IREF
RB
M2
IB1
Vout1 NL
RX VRF Ns M1 Cs CB M3 M6 CX M4 M5 M7 Bias feedback VB1
[4] A. Karanicolas, “A 2.7‐V 900‐MHz CMOS LNA and Mixer,” IEEE J. Solid‐State Circuits, vol. 31, pp 1939 – 1944, Dec. 1996.
•Can have differential version
F. Gatta, E. Sacchi, et al, “A 2‐dB Noise Figure 900MHz Differential CMOS LNA,” IEEE JSSC, Vol. 36, No. 10, Oct. 2001 pp. 1444‐1452
Circuit Details
• Two‐stage cascoded structure in 0.6 m • First stage
– W1 = 403 m determined from NF – Ls accurate value, bondwire inductance – Ld = 7nH, resonating with cap at drain of M2
Low supply voltage Reduce Effect of Cgd1 Cascode晶体管
提高线性度
优化晶体管偏置
Derivative Superposition (DS) Method
gm3 negative in strong inversion and positive in weak inversion
• 1um CMOS工艺◎1GHz：NF=3dB, Av=22dB, P=2.2mAX3V
低噪放声放大器设计教学课件
性能优化与提升
目前低噪放声放大器的性能仍有提升空间，未来研究将致力于优化放大器的性能指标，如 提高增益、降低噪声等，以满足更广泛的应用需求。
智能化与自动化
随着人工智能和自动化技术的发展，未来低噪放声放大器的设计将更加智能化和自动化， 减少人工干预，提高设计效率。
通过本课程的学习，使学生掌握低噪 放声放大器的基本概念、原理、性能 指标等，了解各种低噪放声放大器的 拓扑结构和工作原理。
培养设计能力
提高综合素质
通过课程学习，培养学生的创新思维 、团队协作、沟通表达能力等综合素 质，为学生今后从事相关领域的工作 和研究打下坚实的基础。
通过实践环节和课程设计，培养学生 的低噪放声放大器设计能力，包括电 路设计、参数选择、电磁仿真等。
02
低噪放声放大器基础知识
放大器基本原理
放大器的基本功能是将微弱的输入信号放大成较强的输出信号，以驱动负载或传输 较远的距离。
放大器由输入级、中间级和输出级三部分组成，各部分电路设计需满足特定的性能 要求。
放大器的主要性能指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、失真度 等。
低噪放声放大器的特点
测试方法与步骤
• 测试方法：根据低噪放声放大器的性能指标，可以采用不同的 测试方法。常用的测试方法包括电压增益法、功率增益法、带 宽法等。根据实际情况选择合适的测试方法，确保测试结果的 准确性。
测试方法与步骤
测试步骤 1. 准备测试设备，检查设备是否正常工作；
2. 设置低噪放声放大器的输入信号，调整信号幅度和频率；
设计案例三：基于集成电路的低噪放声放大器
低噪声放大器
低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)广泛应用于射电天文、卫星接收、雷达通信等收信机灵敏度要求较高的领域，主要作用是放大所接收的微弱信号、降低噪声、使系统解调出所需的信息数据。
而噪声系数(Noise Figure，NF)作为其一项重要的技术指标直接反映整个系统的灵敏度，所以LNA设计对整个系统的性能至关重要。
1 GPS接收机低噪声放大器的设计设计的LNA主要指标为：工作频率为1 520～1 600 MHz；噪声系数NF<O．50 dB；增益G>16．0 dB；输入驻波比<2；输出驻波比<1．5。
1．1 器件选择选择合适的器件，考虑到噪声系数较低、增益较高，所以选择PHEMT GaAsFET低噪声晶体管。
在设计低噪声放大器前，首先要建立晶体管的小信号模型，一般公司都会提供具有现成模型的放大器件。
这里选择Agilent公司的生产的ATF-54143。
1．52～1．60 GHz频带内，设计反τ型匹配网络，该匹配网络由集总元件电感、电容构成。
选择电感时，要选择高Q电感。
为了在模拟仿真中能够与实际情况相符合，选用Murata公司的电感和电容模型。
这里选用贴片电感型号为LQWl8，贴片电容型号为GRMl8，电感LQWl8在1．6 GHz典型Q值为80。
1．2 直流偏置在设计低噪声放大器中，设计直流偏置的目标是选择合适的静态工作点，静态点的好坏直接影响电路的噪声、增益和线性度。
由电阻组成的简单偏置网络可以为ATF-54143提供合适的静态工作点，但温度性较差。
可用有源偏置网络弥补温度性差的缺点，但有源偏置网络会使电路尺寸增加，加大了电路板排版的难度以及增加了功率消耗。
在设计实际电路中，要根据具体情况选择有源偏置网络，或是电阻偏置网络。
就文中的LNA而言，考虑到结构和成本，这里选择电阻无源偏置网络。
采用Agilenl的ATF54143，根据该公司给出的datasheet 指标，设计Vds=3．8 V、Ids=ll mA偏置工作点。
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。
低噪声放大器的应用与发展状况及趋势
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蒋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。
低噪放的饱和输出功率
低噪放的饱和输出功率低噪放的饱和输出功率1. 引言：低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）是无线通信系统中的关键组件之一。
它的作用是将微弱的信号放大到可处理范围内，同时尽量减少噪声的引入。
而传统的放大器在放大信号的同时会引入噪声，因此如何在放大的同时尽量减少噪声的影响成为了研究的重点。
2. 低噪放的概念和定义：低噪声放大器主要通过优化设计和选择合适的材料来实现。
在高频电路中，以低噪声为目标的设计要求其输入和输出之间的信号串扰尽量小，并且在输入和输出电阻之间保持高输入和输出阻抗，以减少噪声回流。
而在饱和输出功率方面，低噪声放大器在尽量保持较低噪声性能的还能提供较高的输出功率。
3. 低噪放的设计原则：为了实现低噪声放大器的饱和输出功率，设计者需要在以下几个方面进行考虑和优化：3.1. 选择合适的工作频段和技术方案：低噪声放大器适用于各种应用场景，包括射频、通信、卫星通信等。
在选择工作频段时，需要考虑信号的特性、系统的要求以及材料和器件的可用性等因素，以便实现最佳的性能。
3.2. 优化电路结构和拓扑：对于低噪声放大器的饱和输出功率，合理的电路结构和拓扑设计是至关重要的。
可以采用共源共栅极(共源极)放大器、共基极（共射极）放大器、共基极（共射极）放大器以及双门级共基（共射）放大器等不同的电路结构和拓扑。
3.3. 选择合适的材料和器件：选择低噪声放大器所需要的材料和器件对于性能的优化起到了至关重要的作用。
目前，一些常用的材料和器件包括氮化硅、砷化铟、砷化镓、二氧化钛、砷化锗等。
这些材料和器件具有高频特性好、噪音系数低、功率饱和性能优秀等特点。
4. 低噪放的挑战和解决办法：在实现低噪声放大器的饱和输出功率时，还存在一些挑战需要解决。
首先是如何在平衡低噪声和高增益的同时保持饱和输出功率，这需要进行合理的电路结构设计和参数调整。
其次是如何克服器件之间的耦合效应，减小信号串扰和噪声回流。
最后是如何利用先进的设计和制造技术来提高整体的性能。
4-低噪声放大器
尽量减小流过电阻的电流，或降低电阻两端直流压降。
●因此，为了减小输出端的噪声，提高信噪比，应尽
量采用简单的耦合方式，
在可能的情况下，应采用直接耦合方式，从而消除耦
合网络所带来的噪声。
●在迫不得已要采用耦合网络时，注意遵循上述原则。
§2.8 低噪声前置放大器的选用
●在光电系统中，探测器后面的是耦合网络和前 置放大器； ●为了将探测器输出的微弱信号放大，必须合理 地设计或选用低噪声前置放大器，以保证放大 器的输入端和输出端有足够大的信噪比。 首先介绍低噪声前置放大器的选用方法 。
由于测量和放大的对象不同，源电阻Rs的差异是很大的。 例如，光电信增管（PMT）为高阻Rs，热电偶的Rs却很低。 同样，工作频率的选择也不一致。 如声学或生物医学的使用常在低频范围，而某些电检测又常 常避开1/f 噪声，需选择中频区，NF图为我们正确选择前放提 供了依据。
（3）利用NF图还可以计算出最小可检测信号MDS的
Rcs E n / I n X cs E n / I n
（2）对于耦合网络中的并联阻抗元件
Rcp En / I n X cp En / I n En、In为前置放大器的En-In模型中En、In参量。
（3）为了减小电阻元件的过剩噪声（1/ƒ 噪声），必须
Zs
Vs
探测器及其偏置电 路的等效电路
信号源与前置放大器耦合的方式， 有下列五种形式。 p表示并联，s表示串联 （1）并联型：
（5）串并串型：
设
Z cp Rcp jxcp Z cs Rcs jxcs
理论分析和实验均证明，为了尽量减少耦合网络带 来的噪声，必须满足下列条件： （1）对于耦合网络中的串联阻抗元件
第2章低噪声放大器共33页
• 主极点值为
p
1 RS Ceq
• 上限角频率ωH为 • 电压增益
Hp
1 1 RSCeq RsDC gs
A u(s s) U U o s(( s u s ))t 1 A sI / p 1 s A IS R C eq 1 sg S m R R D Dgs C
第2章 低噪声放大器 2．4 单管低噪声放大器
• 共射小信号放大电路的电压增益
Aus(s)U U .os(u(sst))1A sI/p 1sAR Ieq Ceq
第2章 低噪声放大器
2．4 单管低噪声放大器
2．4．2 场效应管共源极高频小信号电路分析
VDD
RD
ig
id
RS
+ us -Fra bibliotekUout
RS .
T1
+.
ugs
us
Ceq
-
.
gmugs s
.+
RD uout
-
共源电路及密勒近似简化电路
分析步骤： • 计算输入端等效电容Ceq、一阶系统主极点（输入极 点）ωP、电路的电压增益为AUS、上限角频率ωH
第2章 低噪声放大器 2．4 单管低噪声放大器
2．4．2 场效应管共源极高频小信号电路分析
•输入端等效电容
C e q C g s ( 1 g m R D ) C g d C g sg m R D C g d ( 1 C C g gg d s m R D ) C g sD gs
第2章 低噪声放大器
2．1 2．2 2．3 2．4 2．5 2．6 2．7
引言 晶体管高频小信号模型 LNA主要指标 单管低噪声放大器 集成宽带低噪声放大器 LNA的噪声匹配 LNA设计举例
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•串联负反馈引起K的变化
K L= 0 L2 1 L1
L2 > L1 f1 f2 f
•反馈线不宜太长 •在较宽频带内，满足K>0.8即可
*** 微电子中心 ***
6
24
第二章 微波放大器噪声特性理论分析
（一）低噪声放大器主要技术指标 （二）微波低噪声器件种类与特性 （三）微波放大器噪声特性与系统噪声
6
7
（一）微波晶体管放大器增益
1，输入输出阻抗和增益
Zso
输入匹配 电路
Zs1
Γs
a1 b1
FET
a2 b2 Zs2
Γout
输出匹配 电路
ZL0
Γ2
AC
Γ1
b 1 = S 11 a 1 + S 1 2 a 2 •由于： b =S a +S a
2 21 1 22
Γin
ΓL
2
代入负载反射系数： b 1=S 11 a 1+S 12 b 2 Γ L
—微波低噪声放大—
2001 年 10 月
*** 微电子中心 ***
1
第一章 低噪声放大器基础概念
引言：微波频段的划分与应用领域
（一）微波放大器增益 （二）微波放大器的稳定性
*** 微电子中心 ***
6
2
微波频段划分与应用领域
应用率
频率 波段1 波段2
0.1
0.4 P
1 L
2 S
4 C
8 X
12
在史密斯圆中呈现等增益圆
*** 微电子中心 ***
6
10
（3）无损匹配放大器的增益与驻波比
输入 匹配 电路
Γ
’ S
输出 匹配 电路
S2 2
' 1 + S11 ' 1 − S11
' 1 + S 22 ' 1 − S 22
‘
G MAG
S1 1
‘
•输入驻波比 •输出驻波比
SWRin =
SWRout =
*** 微电子中心 ***
6
15
（2）稳定性判别圆
Im(Γin )
不稳定
Im(ΓL )
Re(Γin )
稳定
Re(ΓL )
Γin复平面
ΓL复平面
输入端稳定性判别圆
Γ in = S 11 + S 12 . S 21 Γ L 1 − S 22 Γ L
*** 微电子中心 ***
6
16
稳定性判别圆（续）
P
1
=
S 12 S S 11
2
21 2
− D
C1 = S11 − S 22 D
*
*** 微电子中心 ***
6
17
稳定性判别圆（续）
判别圆
f3
判别圆
f2
判别圆
f1
f4
•阴影范围： 频带的不稳定区 6
*** 微电子中心 ***
18
（3）有潜在不稳定情况的等增益圆
稳定判别圆
-2dB -4dB -8dB
•K<1是潜在不稳定，有自激振荡的可能性 •信源反射波小于信源入射波时不振荡：
a10 < a1
AC
Z a10 a1 b1
S
Z0
•由图可知 a10 = Γs.b1 = ΓsΓin.a1
ΓS Γin ⋅ a1 < a1
ΓS
Γin
得到不自激振荡条件： Γ S Γ in < 1
*** 微电子中心 ***
6
f1
SWR
f2
低频段BJT的MAG——6dB/Oct 微波晶体管的MAG——2~4dB/Oct
f1
f2
增益控制——电路匹配/失配 增益平坦——驻波增大（反射损耗指标下降） 6 *** 微电子中心 ***
11
（4） 反射损耗与隔离器
•反射损耗不良时的后果：
损失信号能量 数字通信误码率增大 群延时特性变坏 电视图像重影
13
(6) 电阻稳定隔离器
* 隔离效果 电阻衰减量 α r Γ Γ = 加衰减器后 α 例： Γ = 0.5 (−6dB)
out
R2
a r
放大器
Γa
R1
R1
αr = 2
Γout =
a
得
αr
Γa
Γout
= 0.25
(−12dB )
•电阻隔离器 只能置于放大器后
匹配型电阻隔离器（特性阻抗50Ω）
α(dB) R1 (Ω) R2 (Ω) 1 870 5.8 2 436 11.6 3 292 17.6 4 221 23.9 5 178.5 30.4
*** 微电子中心 ***
6
27
低噪声放大器主要技术指标（续）
传输增益 GT= Pa / Po Pa -- 负载吸收功率 最大增益MAG (Maximum Avaiable Gain) FET双向全匹配时的最大增益 相关增益 Ga (Gain associated) 噪声最小时的增益，比MAG小1-3dB 最大稳定增益MSG (Maximum Stable Gain) 有潜在不稳定性的微波管的最大稳定增益
jX
接地通孔 FET
反馈电抗
jx = jZ s tg
2π L λ
微带线
Zs
L
栅极
漏极
•负反馈结果
* K增加 * |S21 |下降 * |S11 |略下降 * |S22 |略下降 * L过大时， |S21 |, |S11 | |S22 |上升，K下降
*** 微电子中心 ***
接地通孔
原理图
结构图
6
23
微波有线电视 MMDS-Multichannel microwave Distribution System 2.4GHz 家电控制 2.45GHz
*微波中继通信
•
干线微波 2.1GHz, 8GHz, 11GHz 支线微波 6GHz, 8GHz, 11GHz, 36GHz 农村多址 1.5GHz, 2.4GHz, 2.6GHz
*** 微电子中心 ***
• •
6
5
微波频段的主要应用领域（续）
*移动通信与个人通信
蜂窝通信: 模拟，数字，CDMA 寻呼 0.4GHz, 0.9GHz, 1.9GHz, 2.4GHz, 5.8GHz 0.13GHz, 0.15GHz, 0.28GHz, 0.41GHz
*雷达、气象
雷达 远程警戒 P, L, S, C 精确制导 X, Ka 气象 1.7 GHz, 0.1375GHz 汽车防撞、自动记费 36 GHz, 60GHz 防盗 9.4 GHz 全球定位GPS-Global Positioning System 1.57542 GHz C/A, 1.2276 GHz P
b 2=S 21 a 1+S 22 b 2 Γ L
Γ in =
Γ out =
•解得 •同法得 •转换增益
b1 S 12 . S 21 Γ L = S 11 + a1 1 − S 22 Γ L
b2 S 12 S 21 Γ s = S 22 + a2 1 − S 11 Γ s
GT =
S 21 (1 − Γs )(1 − ΓL ) (1 − S 11Γs )(1 − S 22 ΓL ) − S 12 S 21ΓsΓL
例：放大器
要求 又知 得
Γa = 0.8
VSWR = 1.1
( SWR = 9)
(Γin = 0.048 = −26.4dB )
(α = 1.035) α = 0.15dB 2 Γa 1 β = Γ α = 268 . 4 = 24 dB in
*** 微电子中心 ***
6
*** 微电子中心 ***
2
2
2
2
8
功率增益
Zso
输入匹配 电路
Zs1
Γs
a1 b1
FET
a2 b2 Zs2
Γout
输出匹配 电路
ZL0
Γ2
AC
Γ1
Γin
ΓL
转换功率增益 最大功率增益 最大稳定功率增益
Gt Transducer Gain MAG Maximum Available Gain MSG Maximum Stable Gain
Hale Waihona Puke *** 微电子中心 ***
6
25
（一）低噪声放大器主要技术指标
（1）噪声系数
•定义 NF =
S in / N in N out = S out / N out KT 0 BG
输入
Sin Nin
微波放大器
Sout Nout
输出
Sin , Nin
Sout , Nout
→输入信号功率和输入噪声功率 →输出信号功率和输出噪声功率
21
信源阻抗对稳定性有影响
Z
AC
不自激振荡条件：
a10
a1 b1
Γ S Γ in < 1
ΓS
S
Z0
Γin
基本规律： *信源阻抗50欧姆时，不会产生振荡 *实际天线通常不是全匹配，尤其频带外失配较大 *移动通信天线受环境影响大，源阻抗变化大
*** 微电子中心 ***
22
（6）改善稳定性措施
•串联负反馈
*** 微电子中心 ***
6
14
（三）微波放大器稳定性
Ro 输入匹配 电路 S11 FET Γin
ΓL
S12 输出匹配 电路
R0
（1）不稳定原因
• 微波管有内部反馈 • 不稳定依据 ：