第五章低噪放4-3(例子)

1、5.3 低噪聲放大器設(shè)計(jì)低噪聲放大器設(shè)計(jì)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(jì)、分析低噪聲放大器設(shè)計(jì)、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(fù)載四大部分：晶體管、偏置、輸入匹配和負(fù)載四大部分 典型電路典型電路Q晶體管晶體管 Q偏置電阻偏置電阻 、 、1bR2bReR輸入匹配輸入匹配網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)1T負(fù)載負(fù)載：選頻回路：選頻回路LC交流旁路交流旁路電容電容 、ECBC負(fù)載電阻負(fù)載電阻LR晶體管、負(fù)載部分接入晶體管、負(fù)載部分接入分析電路步驟分析電路步驟（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(hào)等效電路及參數(shù)，代入晶體管的小信號(hào)等效電路及參

2、數(shù)， 計(jì)算放大器的各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算放大器的各項(xiàng)指標(biāo)（1）分析直流偏置，決定直流工作點(diǎn)，得出對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)的參數(shù)分析直流偏置，決定直流工作點(diǎn)，得出對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)的參數(shù)畫畫交流通路圖交流通路圖的原則：的原則： 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Q完整電路完整電路 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rCm b eg vor大電容短路大電容短路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rCm b eg voriV

3、oV計(jì)算增益（單向傳輸）計(jì)算增益（單向傳輸）對(duì)對(duì)線圈部分接入線圈部分接入 進(jìn)行折合進(jìn)行折合m b eg voroV電流源電流源 和和 接入系數(shù)接入系數(shù)mb eg Vor121213NnN12mb emb eg Vn g V212/oorrn 負(fù)載負(fù)載接入系數(shù)接入系數(shù)454523NnNm b eg vorLR13V245/LLRRn m b eg vorLR13V01LC回路諧振回路諧振，低噪放工作頻率為，低噪放工作頻率為0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 ） 選擇回路電抗元件：選擇回路電抗元件： 回路諧振阻抗回路諧振阻抗 輸

4、出電壓輸出電壓 電壓增益電壓增益 低噪放回路帶寬低噪放回路帶寬0efBWQ其中其中( )0eRQL4513oVn VRVgnRVgVebmebm1213RgnnVVAmebo1345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極間電容極間電容()b cCC的反饋通路的反饋通路中和電容中和電容的反饋通路的反饋通路例例5.3.1 5.3.1 1GHZ CMOS 低噪聲放大器低噪聲放大器 1. 電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)：場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)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(dòng)放大器差動(dòng)放

5、大器 輸入輸入端采用電感端采用電感 和和 組成組成匹配匹配網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 1L2L輸出輸出端采用端采用LC回路回路選頻選頻 電感電感 （ ）下級(jí)輸入電容）下級(jí)輸入電容CO3L4L M3 交流短路（作用見后分析）交流短路（作用見后分析） inVinVCOCO偏置偏置為為 （偏置電路（偏置電路省略省略），）， 電感電感 和和 同時(shí)提供了各管子同時(shí)提供了各管子直流通路直流通路 GV1L2L電路分析電路分析畫畫交流通路圖交流通路圖(以以M1為例）為例）outVinVinVinV共柵共柵、 柵源柵源電容電容gSC漏極漏極電容電容 （包括柵漏電容（包括柵漏電容 ）dCgdC雜散雜散及分布電容及分布電容 CP 雜

6、散雜散電容電容 （包括下級(jí)混頻器的包括下級(jí)混頻器的輸入輸入電容電容） 0C（1）輸入匹配網(wǎng)絡(luò)）輸入匹配網(wǎng)絡(luò)外接電感線圈外接電感線圈 L L1 1 柵源電容柵源電容gSC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mg1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 = ，完成與源阻抗匹配完成與源阻抗匹配 。mg1SRinVoutV（2 2）輸出回路）輸出回路電感電感線圈線圈L3漏極漏極電容電容dC雜散雜散電容電容（

7、包括（包括下級(jí)輸入下級(jí)輸入電容）電容）0C并聯(lián)并聯(lián)諧振回路，諧振回路，諧振于工作頻率。諧振于工作頻率。)(103ccLdRF3201RFdLccdC0C已知管子電容已知管子電容 和和 ，得：，得：1mggsCmgsg v代入代入MOS管管共柵共柵等效電路等效電路dsrinRFinVoutV2. 性能指標(biāo)性能指標(biāo)(1) 增益增益增益增益管子管子跨導(dǎo)跨導(dǎo)負(fù)載負(fù)載dsr 回路諧振阻抗回路諧振阻抗PRmg33RFPRFLRQLr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 單管增益單管增益：22333()outRFvmpmmRFinVLLAg RggLVrr比值比值 取決于電感的制作方式取決

8、于電感的制作方式 3Lr外接電感外接電感芯片內(nèi)集成電感芯片內(nèi)集成電感放大器放大器總增益總增益22outoutoutoutininininVVVVAVVVVooutoutVVV總輸出總輸出inininVVV總輸入總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inVinV（2） 帶寬帶寬 當(dāng)兩個(gè)回路當(dāng)兩個(gè)回路Q值相同時(shí)值相同時(shí)電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：輸入輸入輸出輸出并聯(lián)回路并聯(lián)回路選頻選頻阻抗變換阻抗變換帶寬？帶寬？由兩個(gè)回路共同決定由兩個(gè)回路共同決定設(shè)每個(gè)回路帶寬為設(shè)每個(gè)回路帶寬為BW112211 BWBW總稱稱 為縮減因子。為縮減因子。121n 當(dāng)兩回路當(dāng)兩回路 Q相差很大時(shí)相差很大時(shí)

9、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inVoutV（3）放大器噪聲）放大器噪聲放大器放大器噪聲源噪聲源mdngKTI42112n 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)1/44SmRKTgKT F = 1+ 12n dI12n dI電路變形，將噪聲源分裂成兩個(gè)電路變形，將噪聲源分裂成兩個(gè)輸出端輸出端 折合到輸入端：折合到輸入端：21n dI221220n dnmiIIgZ （4）線性）線性差動(dòng)輸入差動(dòng)輸入方式方式輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大于單管輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大于單管inVinV差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出方式方式輸出電流是輸出電

10、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(kuò)大了線性范圍擴(kuò)大了線性范圍inVinV共柵組態(tài)共柵組態(tài)Cgd 沒有反饋沒有反饋outVCgd 包含在包含在Cd 中中（6）輸出電平調(diào)節(jié)）輸出電平調(diào)節(jié)目的目的：與后級(jí)直流一致：與后級(jí)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(qiáng)穩(wěn)定性增強(qiáng)穩(wěn)定性不穩(wěn)定原因不穩(wěn)定原因極間電容極間電容Cgd 3L1L2L例例5.3.25.3.2 1.9 GHz CMOS 低噪聲放大器低噪聲放大器 電路特

11、點(diǎn)電路特點(diǎn)負(fù)載負(fù)載用用 與下級(jí)輸入電容組成與下級(jí)輸入電容組成并聯(lián)回路并聯(lián)回路 3L 有源偏置有源偏置 對(duì)稱雙端輸入對(duì)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(jí)連電路級(jí)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(fù)反饋電感負(fù)反饋 VDDBIASR電阻電阻 阻止阻止M3 的噪聲進(jìn)入的噪聲進(jìn)入 M1M3與與M1組成組成鏡象電流源鏡象電流源 （1 1）偏置電路）偏置電路電路分析電路分析M3的的電流電流refR電阻電阻GSVM3的偏壓的偏壓電源電壓電源電壓VDD代入場(chǎng)效應(yīng)管代入場(chǎng)效應(yīng)管等效電路的輸入級(jí)等效電路的輸入級(jí)（2）輸入阻抗匹配）輸入阻抗匹配輸入電路輸入電路輸入回路方程

12、輸入回路方程)(21gsmigsiiSiSVgILjCjILI jRIV輸入阻抗輸入阻抗1221()mingsgsgZjLLLj CC為與源阻抗匹配為與源阻抗匹配調(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 C2mSgsgRLC調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)與源阻抗與源阻抗共軛匹配共軛匹配Qin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(chǎng)效應(yīng)管僅考慮由場(chǎng)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(duì)結(jié)構(gòu)雙端輸入和輸出差分對(duì)結(jié)構(gòu) 源極采用電感源極采用電感L L2 2負(fù)反饋?zhàn)杩关?fù)反饋?zhàn)杩?擴(kuò)大線性范圍擴(kuò)

13、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 影響影響gdC（4）增益）增益共源共柵級(jí)連、負(fù)載共源共柵級(jí)連、負(fù)載LC回路回路M1M2L3C11S3IIP 參數(shù)參數(shù) 數(shù)值數(shù)值 增益增益 20.7dB 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 2.4 dB 輸入阻抗（輸入阻抗（ ） -27 dB （在（在1.894GHz） -2 dBm鏡頻抑制（在鏡頻抑制（在1.5GHz） -10.6 dB 功耗功耗 19.8mW 電源電源 3.3V低噪放的性能模擬結(jié)果低噪放的性能模擬結(jié)果實(shí)際產(chǎn)品舉例實(shí)際產(chǎn)品舉例MA

14、X2640低功耗、超低噪聲集成放大器低功耗、超低噪聲集成放大器 工作頻率范圍：工作頻率范圍：400 1500MHz，增益增益15.1dB增益隨溫度變化增益隨溫度變化0.6 dB噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)0.9 dB輸入回波損耗輸入回波損耗-11 dB輸出回波損耗輸出回波損耗-14 dB反向隔離反向隔離40 dB輸入輸入1dB1dB增益壓縮點(diǎn)增益壓縮點(diǎn)-22 dBm輸入三階截點(diǎn)輸入三階截點(diǎn)-10 dBm測(cè)試條件：測(cè)試條件：電源電壓電源電壓輸入射頻功率輸入射頻功率溫度溫度 阻抗阻抗VVCC0 . 3dBmPRFin34,500Z,25 CToA小信號(hào)線性指標(biāo)小信號(hào)線性指標(biāo)MAX2640 S參數(shù)參數(shù)11S21S12S22S頻率頻率 模模相角相角 模模相角相角 模模相角相角 模