低噪聲放大器

1、低噪聲放大器低噪聲放大器晶體管高頻等效電路晶體管高頻等效電路LNALNA的性能指標的性能指標 LNALNA的分析設(shè)計的分析設(shè)計低噪聲放大器的特點低噪聲放大器的特點位于接收機的最前端位于接收機的最前端噪聲噪聲越小越好越小越好，且要求有，且要求有適當適當?shù)牡姆€(wěn)定穩(wěn)定的增益的增益接收的信號很微弱且變化接收的信號很微弱且變化 屬于屬于小信號小信號線性放大器，線性放大器，線性范圍大線性范圍大，自動增益控制自動增益控制與天線或濾波器相連接與天線或濾波器相連接要有良好的要有良好的匹配匹配特性特性具有一定的選頻功能具有一定的選頻功能有效有效抑制抑制帶外干擾和鏡像頻率干擾帶外干擾和鏡像頻率干擾對晶體管的描述方法

2、對晶體管的描述方法物理等效電路模型物理等效電路模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型模型中的每個參數(shù)均對應(yīng)一定的物理意義模型中的每個參數(shù)均對應(yīng)一定的物理意義，與工作點有關(guān)，與工作點有關(guān)適用的頻率范圍較寬適用的頻率范圍較寬，適用于交流小信號輸入適用于交流小信號輸入把晶體管視為一個雙端口黑盒子，分析其端口參數(shù)把晶體管視為一個雙端口黑盒子，分析其端口參數(shù)線性網(wǎng)絡(luò)可以用端口參數(shù)來描述其特性，如線性網(wǎng)絡(luò)可以用端口參數(shù)來描述其特性，如H參數(shù)、參數(shù)、Y參數(shù)等參數(shù)等適用于特定頻率、線性參數(shù)適用于特定頻率、線性參數(shù)，在射頻與微波波段，多用在射頻與微波波段，多用S參數(shù)參數(shù)根據(jù)制造工藝，根據(jù)制造工藝，RF/MWRF/MW有源

3、電路可以分為：有源電路可以分為：印刷電路印刷電路(PCB)(PCB)混合微波集成電路混合微波集成電路(HMIC)(HMIC)單片微波集成電路單片微波集成電路(MMIC)(MMIC)在印刷電路中，元器件是被焊接到印刷板上，印刷板作為連在印刷電路中，元器件是被焊接到印刷板上，印刷板作為連線和支撐媒質(zhì)。這種電路線和支撐媒質(zhì)。這種電路 成本低，多數(shù)應(yīng)用于成本低，多數(shù)應(yīng)用于3 GHz以下。以下。 混合混合MIC由分布參數(shù)電路元件和集總電路元件混合而成。由分布參數(shù)電路元件和集總電路元件混合而成?；旌匣旌螹IC電路尺寸較電路尺寸較PCB小，并可工作至毫米波頻率。小，并可工作至毫米波頻率。 MMIC中的所有有

4、源和無源電路元件及其互連是在一塊半導(dǎo)中的所有有源和無源電路元件及其互連是在一塊半導(dǎo)體絕緣基片上形成的。目前生產(chǎn)體絕緣基片上形成的。目前生產(chǎn) 的的MMIC多數(shù)工作于多數(shù)工作于0.5100 GHz的頻段。單片集成技術(shù)特別適用于毫米波應(yīng)用。的頻段。單片集成技術(shù)特別適用于毫米波應(yīng)用。MMIC 的的優(yōu)點是成本低、尺寸小、可批量生產(chǎn)。優(yōu)點是成本低、尺寸小、可批量生產(chǎn)。低噪聲放大器的指標低噪聲放大器的指標0.5mm GaAs FET0.8mm Si Bipolar電源電壓電源電壓(V)(V)3.01.9電源電流電源電流( (mAmA) )4.02.0頻率頻率(GHz)(GHz)1.91.9噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)N

5、F(dBNF(dB) )2.82.8增益增益(dB)(dB)18.19.5IIP3(dBm)IIP3(dBm)-11.1-3Input VSWRInput VSWR1.51.2Output VSWROutput VSWR3.11.4隔離隔離(dB)(dB)2121低噪放（低噪放（LNA）高頻、小信號、線性、選頻放大高頻、小信號、線性、選頻放大教材表教材表5.5.1給出了兩個不同工藝的低噪聲放大器的指標。給出了兩個不同工藝的低噪聲放大器的指標。分析這些指標，主要有：分析這些指標，主要有：低功耗低功耗工作頻率工作頻率噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)增益增益增益控制增益控制輸入阻抗匹配輸入阻抗匹配線性范圍線性范圍隔

6、離度與穩(wěn)定性隔離度與穩(wěn)定性采用低電源電壓，低偏置電流采用低電源電壓，低偏置電流與特征頻率有關(guān)與特征頻率有關(guān)用網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲源方法進行分析用網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲源方法進行分析要適中要適中根據(jù)接收信號的強弱自動控制增益根據(jù)接收信號的強弱自動控制增益功率匹配，噪聲匹配功率匹配，噪聲匹配三階互調(diào)截點、三階互調(diào)截點、1dB壓縮點壓縮點本振泄露本振泄露低噪聲放大器的指標低噪聲放大器的指標分析分析低功耗低功耗移動通信的必然要求移動通信的必然要求低電源電壓低電源電壓小的靜態(tài)電流小的靜態(tài)電流跨導(dǎo)跨導(dǎo)mg工作頻率工作頻率取決于晶體管的特征頻率取決于晶體管的特征頻率Tf與與工作點有關(guān)工作點有關(guān)取決于半導(dǎo)體工藝取決于半導(dǎo)體

7、工藝2 ()2mmTggfccC噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)線性網(wǎng)絡(luò)：線性網(wǎng)絡(luò)：SSnnkTBRRIVF4)(12共射極單管雙極型晶體管：共射極單管雙極型晶體管：1122112bbmSSmSbbSmSrg RFRg RrRg R 單管共源單管共源MOS管（若僅考慮溝道噪聲）：管（若僅考慮溝道噪聲）：mSgRF111增益增益增益增益大大可降低可降低后級對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響后級對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響后級易產(chǎn)生非線性后級易產(chǎn)生非線性失真失真增益增益取決于取決于跨導(dǎo)跨導(dǎo) 由工作點決定由工作點決定負載負載控制方法控制方法：放大器：放大器工作點工作點、負反饋量負反饋量、回路回路Q值值增益控制增益控制LC諧振回路諧振回路

8、 Q值、諧振阻抗值、諧振阻抗集中參數(shù)選頻濾波器集中參數(shù)選頻濾波器注意阻抗匹配注意阻抗匹配mg輸入阻抗匹配輸入阻抗匹配類型：類型：純電阻純電阻 寬帶，有耗，噪聲大寬帶，有耗，噪聲大純電抗純電抗 窄帶，無耗，噪聲小窄帶，無耗，噪聲小匹配方式：匹配方式：共源共源(共射共射)方式方式共柵共柵(共基共基)方式方式輸入阻抗大，并聯(lián)所需電阻即輸入阻抗大，并聯(lián)所需電阻即可達到匹配。但會增加噪聲?？蛇_到匹配。但會增加噪聲。輸入阻抗輸入阻抗1/gm較小，改變偏置較小，改變偏置就可以改變就可以改變gm，達到匹配。，達到匹配。電阻負反饋方式電阻負反饋方式電感負反饋方式電感負反饋方式電阻串并聯(lián)負反饋方式以達到阻抗電阻串

9、并聯(lián)負反饋方式以達到阻抗匹配的目的。適用于寬帶放大，但匹配的目的。適用于寬帶放大，但功耗大，且需要集成較多的電阻，功耗大，且需要集成較多的電阻，不適合不適合CMOS技術(shù)。技術(shù)。源源(射射)極采用電感負反饋，與輸極采用電感負反饋，與輸入電容調(diào)諧后實現(xiàn)匹配，適用于入電容調(diào)諧后實現(xiàn)匹配，適用于窄帶放大，有較好的噪聲性能。窄帶放大，有較好的噪聲性能。線性范圍線性范圍隔離度與穩(wěn)定性隔離度與穩(wěn)定性取決于取決于器件器件、電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)、阻抗變換網(wǎng)絡(luò)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)正向正向傳輸傳輸壓控電流源壓控電流源m b eg v反向反向傳輸傳輸極間電容極間電容()b cCC引起不穩(wěn)定引起不穩(wěn)定的原因的原因改進措施：改進措施

10、：中和法中和法用用中和電容中和電容抵消抵消失配法失配法采用采用共射共基共射共基（共源共柵）組態(tài)（共源共柵）組態(tài)降低增益降低增益(a)加中和電容加中和電容輸出點輸出點+輸出點輸出點-NCebC輸入輸入 CN的一端接輸出，一端接輸入，的一端接輸出，一端接輸入，由它引入的反饋來抵消晶體管內(nèi)由它引入的反饋來抵消晶體管內(nèi)部反饋電容部反饋電容Cbc引起的反饋。引起的反饋。(b)采用共發(fā)共基采用共發(fā)共基( (共源共柵共源共柵) )結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 利用共基放大器輸入電阻很小利用共基放大器輸入電阻很小的特點，作為共發(fā)放大器的負載的特點，作為共發(fā)放大器的負載電阻，可以大大拓展共發(fā)放大器電阻，可以大大拓展共發(fā)放大器的上限

11、頻率，同時又具備很好的的上限頻率，同時又具備很好的電流、電壓增益。電流、電壓增益。晶體管高頻等效電路晶體管高頻等效電路射頻集成電路主要工藝射頻集成電路主要工藝 砷化鉀砷化鉀 GaAs雙極雙極 Bipolar（一種化合半導(dǎo)體材料）（一種化合半導(dǎo)體材料） 具有最高的工作頻率：具有最高的工作頻率：50100GHz；在超高速微電子學(xué)在超高速微電子學(xué)和光電子學(xué)中應(yīng)用廣泛和光電子學(xué)中應(yīng)用廣泛 純雙極、純雙極、BiCMOS和和SiGeHBT（異質(zhì)結(jié)）（異質(zhì)結(jié)）三種雙極工藝器件的截止頻率：三種雙極工藝器件的截止頻率：工藝技術(shù)工藝技術(shù)截止頻率截止頻率 (GHZ)Bipolar25 50BiCMOS10 20Si

12、Ge HBT40 - 80CMOS噪聲低、線性好、與數(shù)字集成電路兼容，噪聲低、線性好、與數(shù)字集成電路兼容，工作頻率工作頻率3GHz以上以上雙極晶體管較之雙極晶體管較之CMOS晶體管的優(yōu)點：晶體管的優(yōu)點：1、在相同的偏置電流下跨導(dǎo)大、在相同的偏置電流下跨導(dǎo)大2、有較高的增益帶寬積、有較高的增益帶寬積由于跨導(dǎo)與偏置電流成正比，結(jié)果：在較小的功耗下可由于跨導(dǎo)與偏置電流成正比，結(jié)果：在較小的功耗下可獲得大增益；提高工作頻率（低于獲得大增益；提高工作頻率（低于10GHz）雙極型晶體管共射小信號等效電路雙極型晶體管共射小信號等效電路共射放大器原理圖共射放大器原理圖 共同決定共同決定工作點工作點Q基極偏置基

13、極偏置VBEQ集電極電源集電極電源 VCC決定基極偏置電流決定基極偏置電流 IBQ負載電阻負載電阻 RL輸入信號輸入信號為為 , , sBEQBEvVvBEQVBQIBiCCLVRCQIBQIsv輸出電流輸出電流公式公式sBEvkTqCQvkTqSCeIeIi當當smTVV26TkTVmVq晶體管可用其晶體管可用其等效電路等效電路代替代替注意：注意： 電路中的所有電路中的所有參數(shù)均與工作點參數(shù)均與工作點Q有關(guān)有關(guān) 該電路是該電路是交流小信號交流小信號等效電路等效電路 從兩個層次上加強對等效電路的理解：從兩個層次上加強對等效電路的理解：理解電路中理解電路中各元件的物理意義各元件的物理意義理解晶體

14、管作為理解晶體管作為放大器的本質(zhì)放大器的本質(zhì)晶體管作為放大器的本質(zhì)晶體管作為放大器的本質(zhì)一個一個電壓控制的電流源電壓控制的電流源cm b eig v放大器的放大器的輸入輸入阻抗，電阻和電容阻抗，電阻和電容()b er r()b eCC放大器放大器輸出輸出電阻電阻 （很大）（很大）or由等效電路中的電容引起由等效電路中的電容引起 TfCgccgfmmT2)(2反向反向傳輸器件傳輸器件C引起放大器引起放大器不穩(wěn)定不穩(wěn)定正向傳輸正向傳輸極限極限工作頻率工作頻率(特征頻率特征頻率)場效應(yīng)管小信號模型場效應(yīng)管小信號模型飽和區(qū)（恒流區(qū)）飽和區(qū)（恒流區(qū)）可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)場效應(yīng)管工作的場效應(yīng)管工作的兩個區(qū)

15、兩個區(qū)以以 大小劃分大小劃分DSv可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)很小很小DSv()()DnGSGS thDSivVv理解：理解：)()(thGSGSnDSDVvvig 和和 成成線性關(guān)系線性關(guān)系DiDSv電導(dǎo)值為電導(dǎo)值為GSv 此電阻此電阻受柵源電壓受柵源電壓 的控制（可變電阻）的控制（可變電阻） 恒流區(qū)恒流區(qū)場效應(yīng)管等效為一個理想的電壓控制電流源場效應(yīng)管等效為一個理想的電壓控制電流源小信號等效電路小信號等效電路2)()(21thGSGSnDVvi恒流區(qū)恒流區(qū)伏安特性為：伏安特性為：成成平方律平方律關(guān)系關(guān)系轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)：轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)：()()2DmQnGSQGS thnDQGSigVVIv小信號跨導(dǎo)與管子特性及

16、工作點偏置有關(guān)小信號跨導(dǎo)與管子特性及工作點偏置有關(guān)由等效電路中的電容引起由等效電路中的電容引起 Tf極限極限工作頻率工作頻率(特征頻率特征頻率)2 ()2mmTgSgdgSggfCCC低噪聲放大器設(shè)計低噪聲放大器設(shè)計采用晶體管的采用晶體管的等效電路模型等效電路模型設(shè)計、分析低噪聲放大器設(shè)計、分析低噪聲放大器電路電路組成組成：晶體管、偏置、輸入匹配和負載四大部分：晶體管、偏置、輸入匹配和負載四大部分 單管小信號選頻放大器典型電路：單管小信號選頻放大器典型電路：Q晶體管晶體管 Q偏置電阻偏置電阻2bR1bReR輸入匹配輸入匹配網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)負載負載：選頻回路：選頻回路負載電阻負載電阻晶體管、負載部分接入

17、晶體管、負載部分接入交流旁路交流旁路電容電容LRLC1TBCEC（2）畫出放大器的交流通路圖畫出放大器的交流通路圖（3）代入晶體管的小信號等效電路及參數(shù)，代入晶體管的小信號等效電路及參數(shù)， 計算放大器的各項指標計算放大器的各項指標（1）分析直流偏置，決定直流工作點，得出對應(yīng)工作點的參數(shù)分析直流偏置，決定直流工作點，得出對應(yīng)工作點的參數(shù) 直流電源是直流電源是交流地交流地 大電容（交流旁路電容）大電容（交流旁路電容）短路短路 大電感（扼流圈大電感（扼流圈) )開路開路 僅做偏置用的直流電阻僅做偏置用的直流電阻可不畫可不畫分析電路步驟：分析電路步驟：畫交流通路圖的原則：畫交流通路圖的原則：Q完整電路

18、完整電路 畫交流圖畫交流圖電源是交流地電源是交流地去掉偏置去掉偏置大電容短路大電容短路rCmb eg vor代入晶體管代入晶體管 等效電路等效電路設(shè)晶體管設(shè)晶體管為單向傳輸為單向傳輸計算增益（單向傳輸）計算增益（單向傳輸）rCmb eg voriVoV 對線圈部分接入進行折合對線圈部分接入進行折合電流源電流源 和和 接入系數(shù)接入系數(shù)mb eg Vor121213NnNm beg vorLR13V12mb emb eg Vn g V212/oorrn 負載負載接入系數(shù)接入系數(shù)454513NnN245/LLRRn 選擇回路電抗元件：選擇回路電抗元件：m beg vorLR13V諧振頻率，即諧振頻率

19、，即工作頻率工作頻率為為01LC 回路諧振阻抗：回路諧振阻抗：設(shè)設(shè)LC回路的空載回路的空載Q為為Q0回路回路諧振阻抗諧振阻抗/poLRRrR00PRLQ（其中其中 ） 輸出電壓：輸出電壓：回路諧振回路諧振4513oVn VRVgnRVgVebmebm1213 電壓增益電壓增益 45 12omb eVAn n g RV 低噪放回路帶寬低噪放回路帶寬0efBWQ其中其中( )0eRQL增加穩(wěn)定性增加穩(wěn)定性抵消極間電容抵消極間電容 的影響的影響()b cCCNC添加添加中和電容中和電容注意反饋的注意反饋的極性極性1GHZ CMOS 低噪聲放大器低噪聲放大器 COCO電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)：場效應(yīng)管場效應(yīng)

20、管M1和和 M2、共柵組態(tài)共柵組態(tài)接成雙端輸入雙端輸出接成雙端輸入雙端輸出差動放大器差動放大器 輸入輸入端采用電感端采用電感L1和和 L2組成組成匹配匹配網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 輸出輸出端采用端采用LC回路回路選頻選頻 電感電感L3 （L4）下級輸入電容）下級輸入電容CO M3 交流短路（作用見后分析）交流短路（作用見后分析） 偏置偏置為為VG（偏置電路（偏置電路省略省略），）， 電感電感L1和和 L2同時提供了各管子同時提供了各管子直流通路直流通路 電路電路分析分析: :畫畫交流通路圖交流通路圖(以以M1為例）為例）inVinVoutVinV共柵共柵、柵源柵源電容電容Cgs漏極漏極電容電容Cd（包括柵漏電

21、容（包括柵漏電容Cgd）雜散雜散及分布電容及分布電容 CP 雜散雜散電容電容C0（包括下級混頻器的包括下級混頻器的輸入輸入電容電容） （1）輸入匹配網(wǎng)）輸入匹配網(wǎng)outVinV外接電感線圈外接電感線圈 L1 柵源電容柵源電容Cgs雜散及分布電容雜散及分布電容CP并聯(lián)回路并聯(lián)回路諧振頻率諧振頻率工作頻率工作頻率1GHz回路回路諧振阻抗諧振阻抗共柵極輸入阻抗共柵極輸入阻抗為為1/gm調(diào)節(jié)匹配方法：調(diào)節(jié)匹配方法：調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)M1和和M2 的的偏置電壓偏置電壓VG 改變改變 M1 M2 的的跨導(dǎo)跨導(dǎo) gm ，使使1/gm= = Rs，完成與源阻抗匹配。，完成與源阻抗匹配。（2 2）輸出回路輸出回路outV

22、電感電感線圈線圈L3漏極漏極電容電容Cd雜散雜散電容電容C0（包括（包括下級輸入下級輸入電容）電容）并聯(lián)并聯(lián)諧振回路諧振回路301()RFdL CC已知管子電容已知管子電容Cd和和C0 ，得：，得：3201RFdLCC諧振于工作頻率諧振于工作頻率性能性能指標指標: :(1) 增益增益代入代入MOS管管共柵共柵等效電路等效電路1mggsCmgsg vdsrinRF增益增益管子管子跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm負載負載回路諧振阻抗回路諧振阻抗Rpdsr 設(shè)線圈設(shè)線圈L3 的的串聯(lián)損耗電阻串聯(lián)損耗電阻是是r折算到輸出回路并聯(lián)為折算到輸出回路并聯(lián)為Rp33RFPRFLRQLr單管增益：單管增益：22333()outRF

23、vmpmmRFinVLLAg RggLVrr比值比值 取決于電感的制作方式取決于電感的制作方式 3Lr芯片內(nèi)集成電感或外接電感芯片內(nèi)集成電感或外接電感放大器放大器總增益總增益22outoutoutoutininininVVVVAVVVVooutoutVVV總總輸出輸出inininVVV總總輸入輸入差分放大器總增益與單管相同差分放大器總增益與單管相同inVoutV（2）帶寬）帶寬電路特點：電路特點：輸入輸入并聯(lián)回路并聯(lián)回路選頻選頻阻抗變換阻抗變換輸出輸出 當兩個回路當兩個回路Q值相同時值相同時設(shè)每個回路帶寬為設(shè)每個回路帶寬為BW11 2121totalBWBW稱稱 為縮減因子。為縮減因子。1 2

24、21 當兩回路當兩回路 Q相差很大時相差很大時帶寬取決于帶寬取決于 高高Q回路回路輸出回路輸出回路Q值高值高3RFTotaloutLrBWBWQL放大器放大器噪聲源噪聲源124n dmIKT g B12n dI所以等效輸入噪聲源所以等效輸入噪聲源BgKTIImdnn4221放大器放大器噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)4114/mSKT gFKT R 12n dI12n dI電路變形，將噪聲源分裂成兩個電路變形，將噪聲源分裂成兩個輸出端輸出端 折合到輸入端：折合到輸入端：21n dI221220n dnmiIIgZ （3）放大器噪聲放大器噪聲其中其中是工藝參數(shù)，長溝道是工藝參數(shù)，長溝道MOS =2/3 , F=

25、1.67 , NF=2.2dB（4）線性度線性度差動輸入差動輸入方式方式輸入信號動態(tài)范圍大于單管輸入信號動態(tài)范圍大于單管差動輸出差動輸出方式方式輸出電流是輸出電流是M1和和M2的輸出的輸出電流之差電流之差抵消抵消非線性失真的非線性失真的偶次諧波偶次諧波擴大了線性范圍擴大了線性范圍（6）輸出電平調(diào)節(jié)輸出電平調(diào)節(jié)目的目的：與后級直流一致：與后級直流一致M3工作在工作在可變電阻可變電阻區(qū)區(qū)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)M3 的的柵極偏壓柵極偏壓VC改變了改變了M3等效電阻等效電阻改變了輸出直流電平改變了輸出直流電平（5）隔離隔離增強穩(wěn)定性增強穩(wěn)定性不穩(wěn)定原因不穩(wěn)定原因極間電容極間電容共柵組態(tài)共柵組態(tài)Cds 可忽略可忽略i

26、nVoutV1.9 GHZ CMOS 低噪聲放大器低噪聲放大器 電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)：3L1L2L負載負載用用L3與下級輸入電容組成與下級輸入電容組成并聯(lián)回路并聯(lián)回路 有源偏置有源偏置 對稱雙端輸入對稱雙端輸入雙端輸出雙端輸出差分差分形式形式 共源共柵共源共柵級連電路級連電路 輸入回路輸入回路串聯(lián)電感串聯(lián)電感源極源極電感負反饋電感負反饋 電路電路分析分析: :（1 1）偏置電路）偏置電路VDDM3與與M1組成組成鏡象電流源鏡象電流源M3的的電流電流電阻電阻RrefM3的偏壓的偏壓VGS電源電壓電源電壓VDD電阻電阻RBLAS阻止阻止M3 的噪聲進入的噪聲進入M1（2）輸入阻抗匹配輸入阻抗匹配代入

27、場效應(yīng)管代入場效應(yīng)管等效電路的輸入級等效電路的輸入級輸入電路輸入電路輸入回路方程輸入回路方程)(21gsmigsiiSiSVgILjCjILI jRIV輸入阻抗輸入阻抗1221()mingsgsgZjLLLj CC調(diào)諧輸入回路調(diào)諧輸入回路串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振于工作頻率于工作頻率121()RFgsLL C為與源阻抗為與源阻抗共軛匹配共軛匹配，令，令2mSgsgRLCQin為輸入回路的有載為輸入回路的有載Q （3 3）噪聲噪聲僅考慮由場效應(yīng)管僅考慮由場效應(yīng)管M1的溝道電阻噪聲的溝道電阻噪聲 21111SminFRgQ （5）線性線性雙端輸入和輸出差分對結(jié)構(gòu)雙端輸入和輸出差分對結(jié)構(gòu) 源極采用電感源極采用

28、電感L2負反饋阻抗負反饋阻抗 擴大線性范圍擴大線性范圍（6）隔離隔離共源共柵接連組態(tài)共源共柵接連組態(tài)失配法，提供了最佳的輸出輸入間失配法，提供了最佳的輸出輸入間的隔離度，的隔離度，減少了極間電容減少了極間電容Cgd影響影響（4）增益增益共源共柵級連、負載共源共柵級連、負載LC回路回路M1M2L3C1121211vmimmAg Rgg22vmLAgR1222vvvvmLAAAAgR低噪聲實現(xiàn)的基本思想低噪聲實現(xiàn)的基本思想采用單管單級放大，以減小有源器件引入的噪聲；采用單管單級放大，以減小有源器件引入的噪聲；匹配網(wǎng)絡(luò)宜用電感負反饋，而不宜用電阻反饋；匹配網(wǎng)絡(luò)宜用電感負反饋，而不宜用電阻反饋；當需要

29、超低噪聲時，偏置電路采用扼流圈，當需要超低噪聲時，偏置電路采用扼流圈，而不采用電阻或有源器件。而不采用電阻或有源器件。低噪聲放大器設(shè)計低噪聲放大器設(shè)計的基本特點的基本特點選擇合適的電路結(jié)構(gòu)選擇合適的電路結(jié)構(gòu)配置相應(yīng)的偏置電路配置相應(yīng)的偏置電路增益與頻率特性增益與頻率特性輸入輸出阻抗匹配輸入輸出阻抗匹配采用共源共柵采用共源共柵(共發(fā)共基共發(fā)共基)電路增大輸入輸出隔離度；電路增大輸入輸出隔離度；采用雙端輸入輸出改善線性度。采用雙端輸入輸出改善線性度。綜合考慮噪聲系數(shù)、失真、功耗、阻抗匹配等要求，選擇綜合考慮噪聲系數(shù)、失真、功耗、阻抗匹配等要求，選擇偏置電路的結(jié)構(gòu)和靜態(tài)工作點。偏置電路的結(jié)構(gòu)和靜態(tài)工

30、作點。根據(jù)估算與仿真結(jié)果進行優(yōu)化。根據(jù)估算與仿真結(jié)果進行優(yōu)化。采用合適的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。采用合適的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。S 參數(shù)參數(shù)對對S參數(shù)的理解參數(shù)的理解: 線性網(wǎng)絡(luò)的線性網(wǎng)絡(luò)的端口參數(shù)端口參數(shù) 一個線性網(wǎng)絡(luò)的特性一個線性網(wǎng)絡(luò)的特性,常用其端口參數(shù)來描述常用其端口參數(shù)來描述,不必知道不必知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部構(gòu)。在射頻和微波段用得最多的是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部構(gòu)。在射頻和微波段用得最多的是S參數(shù)。參數(shù)。S參參數(shù)也稱為散射參數(shù)。數(shù)也稱為散射參數(shù)。 在電子系統(tǒng)中，有兩個分量：入射波和反射波在電子系統(tǒng)中，有兩個分量：入射波和反射波 S參數(shù)是基于端口的參數(shù)是基于端口的入射波入射波和和反射波反射波之間關(guān)系的參數(shù)。之間關(guān)系的參數(shù)。不同

31、的不同的頻率頻率、不同的、不同的工作條件工作條件數(shù)值不同數(shù)值不同適用與適用與射頻和微波射頻和微波頻段頻段單端口網(wǎng)絡(luò)單端口網(wǎng)絡(luò)irVVV*00*00VLriiiLZZZVVVVS VZZZ00VLriLZZVSVZZ 反射波電壓反射波電壓入射波電壓入射波電壓反射系數(shù)反射系數(shù)的定義的定義電壓駐波比的定義電壓駐波比的定義11VSWR 回波損耗的定義回波損耗的定義20logRL dB 雙端口網(wǎng)絡(luò)雙端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)參數(shù)端口端口1入射波入射波反射波反射波端口端口2入射波入射波反射波反射波S參數(shù)方程：參數(shù)方程：111 1122221 1222riiriiVS VS VVS VS V反射電壓反射電壓V1r端口端

32、口1 1的入的入射波射波V1i在端口在端口1 1的反射的反射 端口端口2 2的入射波的入射波V2i經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的反向傳輸經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的反向傳輸 端口端口2 2的入射波的入射波V2i在端口在端口2 2的反射的反射反射電壓反射電壓V2r端口端口1 1的入射波的入射波V1i經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的正向傳輸經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的正向傳輸S11S12S22S21S參數(shù)的求解參數(shù)的求解端口端口1入射波入射波反射波反射波端口端口2入射波入射波反射波反射波S參數(shù)方程：參數(shù)方程：111 1122221 1222riiriiVS VS VVS VS V211110iriVVSV 是當輸入端口是當輸入端口1 1匹配時，匹配時，輸出口輸出口2 2的反

33、射系數(shù)的反射系數(shù) 122220iriVVSV是輸出端口是輸出端口2與負載匹配時，與負載匹配時，輸入口輸入口1的反射系數(shù)的反射系數(shù)端口端口1入射波入射波反射波反射波端口端口2入射波入射波反射波反射波S參數(shù)方程：參數(shù)方程：111 1122221 1222riiriiVS VS VVS VS V是當輸出端口是當輸出端口2 2匹配時，輸入向輸出的匹配時，輸入向輸出的正向傳輸正向傳輸 222110iriVVSV是當輸入端口是當輸入端口1 1匹配時，輸出向輸入的匹配時，輸出向輸入的反向傳輸反向傳輸 111220iriVVSV強調(diào)：強調(diào)：S 參數(shù)均是在特定條件（參數(shù)均是在特定條件（端口匹配端口匹配）下測得的

34、）下測得的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)0Z0Z1iV1rV問題問題:當網(wǎng)絡(luò)端口當網(wǎng)絡(luò)端口不匹配時不匹配時，端口的反射系數(shù)如何？，端口的反射系數(shù)如何？對對網(wǎng)絡(luò)是入射波網(wǎng)絡(luò)是入射波 V1i 對負載對負載ZL是反射波是反射波對對網(wǎng)絡(luò)是反射波網(wǎng)絡(luò)是反射波 V2r 對負載對負載ZL是入射波是入射波在在輸出端口輸出端口定義四個反射系數(shù)定義四個反射系數(shù)22iLrVV 負載端負載端22routiVV輸出端輸出端輸入端輸入端11riniVV源端源端11iSrVV 反射系數(shù)與反射系數(shù)與S參數(shù)的關(guān)系參數(shù)的關(guān)系S參數(shù)方程：參數(shù)方程：111 1122221 1222riiriiVS VS VVS VS V0Z22iLrVV根據(jù)負載

35、反射系數(shù)定義，有根據(jù)負載反射系數(shù)定義，有將此式代入雙端口網(wǎng)絡(luò)的將此式代入雙端口網(wǎng)絡(luò)的S S參數(shù)方程參數(shù)方程 ，消去方程組中的，消去方程組中的V2rSSiroutSSSSVV11211222221輸出端反射系數(shù)輸出端反射系數(shù)LLirinSSSSVV22211211111輸入端反饋系數(shù)輸入端反饋系數(shù)反射系數(shù)的理解反射系數(shù)的理解LLirinSSSSVV22211211111輸入端反饋系數(shù)輸入端反饋系數(shù)0Z 還與網(wǎng)絡(luò)還與網(wǎng)絡(luò)所接負載所接負載有關(guān)有關(guān)（條件（條件S12 0 ） 不僅與不僅與網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)S S參數(shù)參數(shù)有關(guān)有關(guān)11Sin當當負載端匹配負載端匹配，即，即L =0 時時，當當S12 =0（網(wǎng)絡(luò)僅有（

36、網(wǎng)絡(luò)僅有單向傳輸單向傳輸 ）時，）時，SSiroutSSSSVV11211222221輸出端反射系數(shù)輸出端反射系數(shù)雙端口網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗雙端口網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗1VinZ1I端口端口1的輸入阻抗：的輸入阻抗：ininiririiririinZIIVVIVIIVVIVZ11110111111111111 端口的端口的電壓駐波比電壓駐波比也衡量了該端口的也衡量了該端口的輸入阻抗輸入阻抗與與參考阻抗參考阻抗的關(guān)系的關(guān)系11VSWR 同時有：同時有：00ZZZZininin結(jié)論：結(jié)論： 同一端口的同一端口的輸入阻抗輸入阻抗和和反射系數(shù)反射系數(shù)可以互相表示可以互相表示 反射系數(shù)反射系數(shù)表示了該端口的表示了該端

37、口的輸入阻抗輸入阻抗與與參考阻抗參考阻抗Z0的的失配程度失配程度 用用 S 參數(shù)設(shè)計放大器參數(shù)設(shè)計放大器 參數(shù)設(shè)計方法是將晶體管看作是一個黑匣子參數(shù)設(shè)計方法是將晶體管看作是一個黑匣子, ,只知道它只知道它的端口參數(shù)的端口參數(shù), ,而從系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)來設(shè)計放大器而從系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)來設(shè)計放大器. .S參數(shù)與功率傳輸參數(shù)與功率傳輸0Z1V以以特性阻抗特性阻抗Z0為為參考參考，各端口的阻抗和反射系數(shù)可相互表示，各端口的阻抗和反射系數(shù)可相互表示00SSSZZZZ 信號源端信號源端網(wǎng)絡(luò)輸入端網(wǎng)絡(luò)輸入端輸出負載端輸出負載端網(wǎng)絡(luò)輸出端網(wǎng)絡(luò)輸出端00LLLZZZZ 00inininZZZZ00out

38、outoutZZZZ信號源電動勢的有效值為信號源電動勢的有效值為Vs ，V1網(wǎng)絡(luò)輸入端電壓，網(wǎng)絡(luò)輸入端電壓，Zin為輸入阻抗為輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)輸入功率為網(wǎng)絡(luò)輸入功率為:22211011iniininVPVZZ 11111iriinVVVV011inininZZ11001111111SSSiniinSSSininSininVVVVZVZZZZZZ112 1SSiSinVV 由由:代入后得代入后得:222201141SSininsinVPZ 同理，負載阻抗上得到的功率為同理，負載阻抗上得到的功率為22222011LrLLVPVZZ 由由:21221 12222122,1rirriLSVS VS VVV

39、S以及以及112 1SSiSinVV 代入即得代入即得2222212202211411LSSLLSinSVPZS 功率增益功率增益的的定義定義工作功率增益：工作功率增益：定義：網(wǎng)絡(luò)的定義：網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出端輸入輸出端為為任意阻抗值任意阻抗值時，時，負載得到的實際功率與輸入網(wǎng)絡(luò)的實際功率之比負載得到的實際功率與輸入網(wǎng)絡(luò)的實際功率之比22212222111LLPinLinSPGPS 222201141SSininsinVPZ 2222212202211411LSSLLSinSVPZS 變換功率增益：變換功率增益：定義：定義：當當放大器輸入端與源共軛匹配放大器輸入端與源共軛匹配，負載所得功率與該資用功

40、率之比為負載所得功率與該資用功率之比為變換器功率增益變換器功率增益輸入端與源共軛匹配，即：輸入端與源共軛匹配，即：*inSZZ或或*inS 信號源輸入放大器的功率最大（信號源輸入放大器的功率最大（資用功率，資用功率，available power）為）為*2220141inSSSAinSVPPZ 變換器功率增益變換器功率增益，為：，為：2222122221111LSLTALSinSPGPS 單向變換功率增益：單向變換功率增益：當網(wǎng)絡(luò)的當網(wǎng)絡(luò)的反向傳輸為反向傳輸為0或或很小很小可忽略時，網(wǎng)絡(luò)為單向傳輸，可忽略時，網(wǎng)絡(luò)為單向傳輸，此時，網(wǎng)絡(luò)的此時，網(wǎng)絡(luò)的變換器功率增益變換器功率增益為為單向變換器功

41、率增益單向變換器功率增益網(wǎng)絡(luò)為單向傳輸，此時：網(wǎng)絡(luò)為單向傳輸，此時：120S11inS222212211221111SLTUSLSGSS 單向變換器功率增益單向變換器功率增益，為：，為：資用功率增益：資用功率增益：定義：定義：當當放大器輸出端也達到共軛匹配放大器輸出端也達到共軛匹配，負載所得負載所得最大功率最大功率與輸入資用功率之比為與輸入資用功率之比為資用資用功率增益功率增益網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端均匹配時的增益網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端均匹配時的增益*LoutZZ*Lout *inSZZ*inS *2222212*02211411LoutoutSSLoutSinSVPZS 因因11221111221rLin

42、iLVS SSVS12212222111SroutiSS SVSVS*2222112*221111LoutSSinoutoutSS *Lout *22212211111LoutSLAASoutSPGPS 放大器的穩(wěn)定性放大器的穩(wěn)定性什么樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的？什么樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的？ 從反射系數(shù)的角度，只有當反射系數(shù)的模小于從反射系數(shù)的角度，只有當反射系數(shù)的模小于1 1，即，即 系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。1 對于放大器，共有對于放大器，共有4 4個反射系數(shù)，只有當這個反射系數(shù)，只有當這4 4個反射系數(shù)的模個反射系數(shù)的模均小于均小于1 1時，才是穩(wěn)定的。時，才是穩(wěn)定的。即須滿足：即須滿足：1,1S

43、L1221112211LinLS SSS1221221111SoutSS SSS以及以及放大器的穩(wěn)定性有放大器的穩(wěn)定性有2 2種情況種情況無條件穩(wěn)定：無條件穩(wěn)定：條件穩(wěn)定：條件穩(wěn)定：對于任何無源匹配網(wǎng)絡(luò)，只要對于任何無源匹配網(wǎng)絡(luò)，只要1,1,SL晶體管就一定有晶體管就一定有1in 和和1out-無條件穩(wěn)定放大器無條件穩(wěn)定放大器只能對某些條件下的只能對某些條件下的 和和 ，放大器才是穩(wěn)定的，放大器才是穩(wěn)定的-條件穩(wěn)定放大器條件穩(wěn)定放大器SL無條件無條件穩(wěn)定穩(wěn)定的的條件條件構(gòu)成放大器的構(gòu)成放大器的晶體管晶體管，當滿足：，當滿足：112212211S SS S 以及以及22211221221112S

44、SkSS Rollett因數(shù)因數(shù)對于對于單向傳輸單向傳輸晶體管，一定有晶體管，一定有則當則當 時，又滿足時，又滿足由此晶體管構(gòu)成的放大器必定是無條件穩(wěn)定的。由此晶體管構(gòu)成的放大器必定是無條件穩(wěn)定的。k 111S221S1 穩(wěn)定性判定圓穩(wěn)定性判定圓現(xiàn)令現(xiàn)令 作為穩(wěn)定與不穩(wěn)定的邊界條件。作為穩(wěn)定與不穩(wěn)定的邊界條件。1,1inout 1221112211LinLS SSS1221221111SoutSS SSS222RRIILLLLLCCr 222RRIISSSSSCCr 則穩(wěn)定條件方程可轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)反射系數(shù)平面的圓方程：則穩(wěn)定條件方程可轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)反射系數(shù)平面的圓方程：11221221S SS S 1

45、2212222LS SrS 12212211SS SrS 22112222LSSCS 11222211SSSCS 其中其中問題在于穩(wěn)定區(qū)是問題在于穩(wěn)定區(qū)是 的圓內(nèi)還是圓外的圓內(nèi)還是圓外1,1inout輸出圓的穩(wěn)定與不穩(wěn)定區(qū)輸出圓的穩(wěn)定與不穩(wěn)定區(qū)輸入圓的穩(wěn)定與不穩(wěn)定區(qū)輸入圓的穩(wěn)定與不穩(wěn)定區(qū) 如果大圓半徑較如果大圓半徑較|C|CL L| |或或|C|CS S| |大，即輸入輸出穩(wěn)定圓的圓心落在大，即輸入輸出穩(wěn)定圓的圓心落在大圓內(nèi)時，判斷其穩(wěn)定性要小心，下圖表示當大圓內(nèi)時，判斷其穩(wěn)定性要小心，下圖表示當|S11|1|S11|1時，時，rsrs|C|C|CS S| |兩種情況的穩(wěn)定與不穩(wěn)定區(qū)。兩種情況

46、的穩(wěn)定與不穩(wěn)定區(qū)。對于任何無源匹配網(wǎng)絡(luò)，只要對于任何無源匹配網(wǎng)絡(luò)，只要1,1,SL晶體管就一定有晶體管就一定有1in 和和1out-無條件穩(wěn)定放大器無條件穩(wěn)定放大器所有負載和源，其絕對穩(wěn)定條件可表示為：所有負載和源，其絕對穩(wěn)定條件可表示為：1LLCr1SSCr對于對于111S221S因此，絕對穩(wěn)定的必要充分條件為：因此，絕對穩(wěn)定的必要充分條件為：112212211S SS S 以及以及22211221221112SSkSS Rollett因數(shù)因數(shù)求雙極結(jié)晶體管（求雙極結(jié)晶體管（Philips BFG505W）的穩(wěn)定區(qū)。）的穩(wěn)定區(qū)。工作條件為工作條件為VCE =6 V， IC =4 mA。S參數(shù)

47、與工作頻率的對應(yīng)關(guān)系入下表所示：參數(shù)與工作頻率的對應(yīng)關(guān)系入下表所示：0.20.51.02.05.0+0.2-0.2+0.5-0.5+1.0-1.0+2.0-2.0+5.0-5.00.0放大器的穩(wěn)定措施放大器的穩(wěn)定措施非穩(wěn)定狀態(tài)為：非穩(wěn)定狀態(tài)為：1in1out001inininZZZZ即：即：Re0ininZR或：或：Re0inis nYGRe0inZ穩(wěn)定狀態(tài)為：穩(wěn)定狀態(tài)為：Re0outoutZR或：或：Re0outoutYG001outoutoutZZZZRe0outZ非穩(wěn)定狀態(tài)為：非穩(wěn)定狀態(tài)為：穩(wěn)定狀態(tài)為：穩(wěn)定狀態(tài)為：按照增益要求設(shè)計放大器按照增益要求設(shè)計放大器在在單向傳輸單向傳輸且且無條件

48、穩(wěn)定無條件穩(wěn)定的條件下：的條件下： |S12|=0222212211221111SLTSLGSSS 0TSLGdBGdBGdBGdB當晶體管與輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)之間達到共軛匹配，即：當晶體管與輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)之間達到共軛匹配，即：*,SinLout 此時，輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的增益達到最大值：此時，輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的增益達到最大值：*2max221111SinSSSininG max211LoutG 特別對于特別對于|S12|=0 ，且，且|S11|1 ， |S22 |1的單向、無條件穩(wěn)定晶體管，的單向、無條件穩(wěn)定晶體管，由于由于1122,inoutSS則則211max11SGS222max11SGL2max21221122