射频通信电路：第五讲 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..
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。
低噪声放大器原理
低噪声放大器原理
低噪声放大器的工作原理可以简单地概括为：接收输入信号，放大信号，输出信号。
将信号输入到放大器中，放大器通过增加信号幅度来提高信噪比，然后将信号输出到后续的电路中。
由于LNA需要将信号从噪声背景中提取出来，因此需要尽可能减小放大器本身产生的噪声。
在这个过程中，放大器单元的噪声也被放大，因此输出信号中包含有噪声。
为了减小放大器本身的噪声，需要在放大器单元前后加上合适的匹配网络，使得输入信号的功率得到最大化，而噪声功率得到最小化。
LNA的噪声主要来自两个方面：器件本身的噪声和放大器的失真。
为了减小器件本身的噪声，可以使用低噪声晶体管等低噪声器件，并采用合适的工艺和布线方式，减小器件之间的串扰和互感。
为了减小失真，可以使用高线性度的器件，采用反馈电路等方法来提高放大器的稳定性和线性度。
具体地，当输入信号进入输入网络时，它会被匹配到放大器单元的输入阻抗，并通过放大器单元的放大作用，使得信号的幅度得到增大。
低噪声放大器
低噪声放大器1. 引言低噪声放大器（Low-Noise Amplifier，LNA）是一种广泛应用于无线通信系统中的重要电路器件。
它的主要功能是将来自天线的微弱信号放大到一个足够强度，以便后续电路可以有效地处理。
在无线通信系统中，LNAs通常作为接收链路的第一级放大器，承担着放大微弱信号、增加系统灵敏度、提高信噪比的关键任务。
本文将介绍低噪声放大器的工作原理、性能指标以及常见的设计技术，希望能帮助读者更好地理解和应用低噪声放大器。
2. 工作原理低噪声放大器的工作原理与一般放大器相似，都是通过引入外部直流电源，利用放大元件（例如晶体管）的放大特性，将输入信号放大到所需的幅度。
与一般放大器不同的是，低噪声放大器在设计上注重将输入端的噪声最小化。
这是因为在无线通信系统中，接收链路中的噪声是非常重要的考量因素。
LNAs需要尽可能地放大微弱信号，同时不引入过多的噪声，以保持系统的信噪比。
为了实现低噪声的放大，低噪声放大器采用了一系列的设计技术和电路拓扑。
接下来，我们将介绍一些常见的设计技术。
3. 设计技术3.1 硅锗杂化放大器硅锗杂化放大器是一种常见的低噪声放大器设计技术。
它采用硅和锗两种材料的结合，兼具硅和锗的优点。
硅材料具有良好的集成性能和工艺制造能力，而锗材料具有较高的迁移率和较低的噪声系数。
因此，硅锗杂化放大器能够在保持良好集成性能的同时，实现较低的噪声指标。
3.2 噪声系数优化噪声系数是衡量低噪声放大器性能的重要指标之一。
为了优化噪声系数，设计者可以采用一系列的技术手段，例如：•尽量采用低噪声的放大元件，例如高迁移率的晶体管；•优化电源的供电电压和电流，以减小噪声；•使用电流源对放大电路进行偏置，以提高放大器的线性度。
3.3 反馈放大器设计反馈放大器是一种常用的放大器设计技术，也可以应用于低噪声放大器的设计中。
通过适当选择反馈回路的参数和拓扑结构，可以有效地减小放大器的噪声系数。
在反馈放大器中，一部分输出信号经过反馈回路与输入信号相叠加，形成反馈信号，从而减小噪声。
2.4低噪声放大器
2.4 低噪声放大器
接收机的灵敏度是指保证必要的输出信噪比 条件下，接收机输入 端所需的最小有用信号功 率，该信号功率越低，则接收机灵敏度越高，表 示接收微弱信号的能力越强。
EXIT
高频电子线路
2.4 低噪声放大器
2.4.3低噪声放大器的设计
一、对低噪声放大器的要求 （1）噪声系数小。 （2）功率增益高。 （3）动态范围大。 （4）与信号源很好地匹配。 （5）足够的带宽，工作稳定可靠。
电阻热噪声有极宽频谱(0~1014Hz),且各频率分量强度相等， 频谱与白光谱类似。这种具有均匀连续频谱的噪声称为白噪声。
只有位于放大器通频带内的那部分噪声才能通过，所以电阻 噪声是很小的，只有有用信号很小时，它才成为影响信号质量的 重要因素。频带越宽、温度越高、阻值越大，产生的噪声也越大
EXIT
高频电子线路
二、晶体管的噪声
散粒噪声
2.4 低噪声放大器
由于基区中IC 、 IB 分配比例的随机变化， 分配噪声 造成IC 在静态值上下起伏变化所引起的噪声。
闪烁噪声 热噪声
表现为IE的起伏。一般认为由于晶体管清洁处 理不好或有缺陷引起。
其频谱集中在约1kHz以下，且功率谱密度与 频率成反比。因此，也称为低频噪声或1/f噪声。
EXIT
高频电子线路
2.4 低噪声放大器
三、多级放大器的噪声系数
NF
NF1
NF2 1 Apm1
NF3 1 Apm1Apm2
NFn 1 Apm1Apm2 Apm(n-1)
多级放大器的噪声系数主要由前级的噪声系 数所确定，前级噪声系数越小，额定功率增益越 高，则多级放大器的噪声系数就越小。
EXIT
高频电子线路
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场效应管等效电路
晶体管的放大特性主要由压控电流源 决定 放大器的输入阻抗由 决定，呈容性
放大器输出电阻由 和 决定，该值一般很大
放大器隔离度由 决定
极限工作频率受等效电路中的电容 = (
≈
分立低噪声放大器构成
电路组成：晶体管、偏置、输入匹配和输出负载四大部分
输入匹配网络
输出负载
偏置
晶体管 典型电路
把晶体管视为一个 双端口黑盒子，分 析其端口参数，适 用于特定频率、线 性参数,如S参数
应用不同的模型，分析设计低噪放的方法不同
低噪声放大器指标
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低噪声放大器指标分析
1.低功耗：移动通信的必然要求 低电源电压、低静态电流
2.工作频率：取决于晶体管的特征频率
fT
=
gm
低噪声放大器指标分析
F = 1+ (Vn + In RS )2
4kTRS B
对于高源阻抗， 是主要噪声源 对于低源阻抗， 是主要噪声源
系统最小噪声系数时，信号源阻抗满足：
2
R2 s ,opt
=
Vn
2
In
低噪声放大器指标分析
F = 1+ rbb' + 1 + gm RS ≈ 1+ rbb' + 1
高频等效电路--BJT
共射放大器原理图
V（BR）EBO ICBO ICEO
工作点Q由基极偏置VBEQ、集电极电源 VCC 负载电阻RL决定
iB(μA) 0
VCE（ V）
11
0
VBE
＋
iC 饱和区
临界饱和 线
截止区
击穿区 iB=iB5
iB=iB4 iB=iB3
iB=iB2 iB=iB1 iB=0 iB=-ICBO
2π (cπ + cμ )
≈
gm
2π Cπ
与工作点有关
取决于半导体工艺
低噪声放大器指标分析
3.低噪声系数
信号源输入电压VS
信号源内阻噪声均方根电压 VRS 2 = 4kTRs B
此时网络P点输入端信噪比
(SNR ) = Vs2
V i
2
RS
低噪声放大器指标分析
假设： 网络输入阻抗： Zi
网络输出负载： RL
Rs 2gm RS 2β
Rs 2gm RS
BJT管噪声系数与直流工作点、 基区电阻和信号源内阻有关
F =1+ 1 γ 1
RS gm
忽略1/f噪声的场效应管噪声系数 与直流工作点和信号源内阻有关
低噪声放大器指标分析
4.适中的增益
高增益可降低后级对系统噪声系数的影响，但 容易使后级电路产生非线性失真
网络增益：
AV
系统输出信号功率：
AV Po =
Zi Zi + RS
RL
2 VS
2
系统等效输入噪声源 引入的输出噪声功率： No1 =
AV 2 RL
Zi Zi + RS
Vn +
Zi Zi + RS
In RS
信号源电阻引入的输 出噪声功率：
No2
=
AV 2 RL
Zi Zi + RS
2
VRS
V（BR）CEO vCE
输入特性曲线iB=f(VBE,VCE)
输出特性曲线ic=f(iB,VCE)
BJT混合π 型等效电路
当 等效电路代替
，晶体管可以用其
电路中的所有参数均与工作点Q有关 该电路是交流小信号等效电路
BJT小信号等效电路特性
c
e
晶体管的放大特性主要由压控电流源 决定， = 放大器的输入阻抗由 ( 和 ( 决定
LNA片外应用电路设计时，一般采用S参数设 计LC网络匹配至最小噪声系数或者最大功率传 输
低噪声放大器指标分析
6.线性指标
一般用1dB压缩点或者IP3描述 放大器的线性范围和器件、电路结构和输入阻
抗网络等有关
7.隔离度和稳定性
放大器信号正向传输用增益描述
LNA
放大器信号反向传输用反向隔离度描述
放大器输出电阻由 决定，该值一般很大
放大器隔离度由 决定
极限工作频率受等效电路中的电容 = (
≈
高频等效电路—场效应管
可变电阻区
共源放大器原理图
饱和区
可变电阻区特性 iD = β n [(vGS − VGS (th) )vDS ]
饱和区可等效为压控电流源
iD
=
1 2
βn (vGS
− VGS (th) )2
低噪声放大器指标分析
输出端信噪比：
( SNR ) o
=
Po No1 + No1
= 2 VRS
VS 2
+ (Vn + In RS )2
得到噪声系数：
F
=
( SNR )1 ( SNR )
o
= 1+ (Vn
)2
+ In RS
2
VRS
= 1+ (Vn + In RS )2
4kTRS B
噪声系数不仅与系统本身内部的噪声 和 有关，而 且与外部输入信号源内阻RS、温度T和系统带宽B有关
低噪பைடு நூலகம்放大器特点
位于接收机的最前端：噪声越小越好，且 要有适当的稳定的增益
接收的信号很微弱且变化：小信号线性放 大器，线性动态范围大，增益可调
通过传输线直接和天线或天线滤波器相连 ：良好的匹配
能抑制带外和镜象频率干扰：选频功能
低噪声放大器设计模型
设计模型
物理模型
网络模型
模型中的每个参数 均对应一定的物理 意义，适用的频率 范围较宽，如晶体 管π型等效电路
增益取决于跨导和输入输出负载的 LNA的负载主要为LC谐振回路 为了适应大动态范围输入信号，一般低噪声放
大器增益设计为可调，即输入信号弱时，增益 可调大，而输入信号强时，增益可调小
低噪声放大器指标分析
5.输入阻抗匹配
最小噪声系数匹配：
2
R2 s ,opt
=
Vn
2
In
最大功率传输匹配，共轭匹配
去掉偏置
②代入晶体管 等效电路 设晶体管 为单向传输
Thanks
射频通信电路 低噪声放大器
低噪声放大器在接收机中的位置
RF
Mixer
VGA
IF
LNA
Band Select Filter
Image Rejection
Filter
LO Channel Select Filter
"I"
LO LO +900
"Q"
ADC &
DSP
Baseband Filter
低噪声放大器一般位于射频接收机的最前端
分立低噪声放大器分析步骤
选择合适的直 流偏置，得到 直流工作点
画出放大器 的交流通路
代入小信号模 型，计算放大 器各参数
画交流通路图的原则
直流电源是交流地 大电容（交流旁路电容）短路 大电感（扼流圈)开路 仅做偏置用的直流电阻可不画
分立低噪声放大器交流通路
Q
gmvb′e
ro
rπ
Cπ
① 画交流图 大电容短路 电源是交流地