ch5低噪聲放大器

1、高頻放大器信號(hào)放大頻率選擇晶體管選頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1、晶體管諧振回路2、晶體管集中選頻濾波器高頻放大混頻器中頻放大與濾波解調(diào)器音頻放大器本地振蕩器揚(yáng)聲器天線(xiàn)第五章第五章 低噪聲放大器低噪聲放大器特點(diǎn)特點(diǎn):1.1.位于接收機(jī)的位于接收機(jī)的最前端最前端噪聲噪聲越小越好越小越好要求有要求有適當(dāng)適當(dāng)?shù)牡姆€(wěn)定穩(wěn)定的增益的增益2.2.接收的信號(hào)很接收的信號(hào)很微弱且變化微弱且變化 小信號(hào)線(xiàn)性放大器小信號(hào)線(xiàn)性放大器線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍大線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍大增益自動(dòng)控制增益自動(dòng)控制3.3.通過(guò)傳輸線(xiàn)通過(guò)傳輸線(xiàn)直接和天線(xiàn)直接和天線(xiàn)或天線(xiàn)濾波器或天線(xiàn)濾波器相連相連 匹配匹配4.4.應(yīng)具有應(yīng)具有選頻功能選頻功能，抑制帶外和鏡象頻率干擾，

2、抑制帶外和鏡象頻率干擾本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：1. 低噪聲放大器的低噪聲放大器的性能指標(biāo)性能指標(biāo) 2. 低噪聲放大器的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：特點(diǎn)：模型中的每個(gè)參數(shù)均對(duì)應(yīng)一定的物理意義模型中的每個(gè)參數(shù)均對(duì)應(yīng)一定的物理意義適用的頻率范圍較寬適用的頻率范圍較寬舉例：舉例：混合混合 型模型型模型1.1. 物理模型物理模型等效電路模型等效電路模型描述晶體管的兩種模型描述晶體管的兩種模型從模擬晶體管的物理機(jī)構(gòu)出發(fā)從模擬晶體管的物理機(jī)構(gòu)出發(fā), 用集中參數(shù)元件、和受控源用集中參數(shù)元件、和受控源來(lái)表示管內(nèi)的復(fù)雜關(guān)系。來(lái)表示管內(nèi)的復(fù)雜關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)：各元件參數(shù)物理意義明確優(yōu)點(diǎn)：各元件參數(shù)物理意義明確, 在較寬的頻帶

3、內(nèi)元件值基本在較寬的頻帶內(nèi)元件值基本上與頻率無(wú)關(guān)。上與頻率無(wú)關(guān)。缺點(diǎn)：隨器件不同而有不少差別缺點(diǎn)：隨器件不同而有不少差別, 分析和測(cè)量不方便。分析和測(cè)量不方便?；旌匣旌闲偷刃щ娐贩ㄝ^適合于分析寬頻帶小信號(hào)放大器。型等效電路法較適合于分析寬頻帶小信號(hào)放大器。 型等效電路bece(a)bbrbI bebrebCcbCcbrebmVgcercIVb.Vc.幾十千歐以上。集電極發(fā)射極電阻，歐。電阻，約幾十歐到幾千折合到基極回路的等效發(fā)射結(jié)電阻：集電結(jié)電阻，約?；鶇^(qū)體電阻，約:.10105015:ceeebcbbbrrrMkrr西門(mén)子以下。：晶體管跨導(dǎo)，幾十毫法。集電結(jié)電容，約幾十皮到幾百皮法。發(fā)射結(jié)電

4、容，約mcbebgCPFC:10:2. 網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)模型特點(diǎn)：特點(diǎn)：把晶體管視為一個(gè)雙端口黑盒子，分析其端口參數(shù)把晶體管視為一個(gè)雙端口黑盒子，分析其端口參數(shù)適用于特定頻率、線(xiàn)性參數(shù)適用于特定頻率、線(xiàn)性參數(shù)舉例：舉例：S參數(shù)參數(shù)注意：注意：應(yīng)用不同的模型，分析設(shè)計(jì)低噪放的方法不同應(yīng)用不同的模型，分析設(shè)計(jì)低噪放的方法不同本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)用晶體管的混合用晶體管的混合 型模型分析、設(shè)計(jì)低噪放型模型分析、設(shè)計(jì)低噪放參數(shù)法則是從測(cè)量和使用的角度出發(fā), 把晶體管作為一個(gè)有源線(xiàn)性雙口網(wǎng)絡(luò), 用一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)構(gòu)成其等效電路。優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)出的表達(dá)式具有普遍意義, 分析和測(cè)量方便。 缺點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與頻率有關(guān)。 y參數(shù)等效

5、電路021121UUIy2121111UyUyI2221212UyUyI01112UUIy共發(fā)射極晶體管共發(fā)射極晶體管, , 看作一個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò), , 相應(yīng)的參數(shù)方程為：相應(yīng)的參數(shù)方程為：crebiebUyUyIcoebfecUyUyI；輸出短路時(shí)的輸入導(dǎo)納0cUbbieUIy納；輸入短路時(shí)反向傳輸導(dǎo)0bUcbreUIy導(dǎo)納；輸出短路時(shí)的正向傳輸0cUbcfeUIy輸入短路時(shí)的輸出導(dǎo)納0bUccoeUIyy參數(shù)等效電路與型等效電路的轉(zhuǎn)換bece(a)bbrbI bebrebCcbCcbrebmVgcercIVb.Vc.Vb.yoebece(b)yieyreVce.yfeVbeVc

6、.混等效電路Y參數(shù)等效電路)(1)()(ebbebbbceebcbceceebmcceebcbebebbVVrIVVyVgVgIVVyVyIccbebbbcbmbbcbcboebcbebbbcbmcccbebbbcbbcbebbbcbebbVyyrygryygVyyrygIVyyryVyyryyI)(1)()(1)(1)(1.1)(1.1)(1.1)(1)()1 (1)(1ebbbcbcbebbbcbreebbbmcbebbbcbmfeebbbmbbcbcboecbebbbcbmbbcbcboeoebbebebbbebebbbebebcbebbbcbebieyryyyryyyrgyyrygyy

7、rgryygyyrygryygyrCjgrCjgryyyyryyy指標(biāo)指標(biāo)0.5m GaAs FET0.8m Si Bipolar電電 源源 電電 壓壓3.0V1.9V電電 源源 電電 流流4.0mA2.0mA頻頻 率率1.9GHZ1.9GHZ 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)NF2.8dB2.8dB 增益增益Gain18.1dB9.5dBIIP311.1dBm3dBmInput VSWR1.51.2Output VSWR3.11.4隔隔 離離21dB21dB低噪放（低噪放（LNA）高頻、小信號(hào)、線(xiàn)性、選頻放大器高頻、小信號(hào)、線(xiàn)性、選頻放大器5.1 5.1 低噪聲放大器指標(biāo)低噪聲放大器指標(biāo)（1 1）低功耗）低

8、功耗移動(dòng)通信的必然要求移動(dòng)通信的必然要求（2）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TfCgccgfmmT2)(2與工作點(diǎn)有關(guān)與工作點(diǎn)有關(guān)取決于半導(dǎo)體工藝取決于半導(dǎo)體工藝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) 小小mg低噪放（低噪放（LNALNA）指標(biāo)分析）指標(biāo)分析增益要增益要適中適中增益小增益小可降低可降低后級(jí)對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響后級(jí)對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響增益大增益大后級(jí)易產(chǎn)生非線(xiàn)性后級(jí)易產(chǎn)生非線(xiàn)性失真失真增益增益取決于取決于mg跨導(dǎo)跨導(dǎo) 由工作點(diǎn)決定由工作點(diǎn)決定負(fù)載負(fù)載LNA的的負(fù)載形式負(fù)載形式LC諧振回路諧振回路 Q值、諧振阻抗值、諧振阻抗集中參數(shù)選頻

9、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（5）自動(dòng)增益控制）自動(dòng)增益控制根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱自動(dòng)控制增益根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱自動(dòng)控制增益信號(hào)弱，增益大信號(hào)弱，增益大信號(hào)強(qiáng)，增益小，以防信號(hào)強(qiáng)，增益小，以防后級(jí)非線(xiàn)性失真后級(jí)非線(xiàn)性失真（4）增益）增益衡量衡量指標(biāo)指標(biāo)：三階互調(diào)截點(diǎn)：三階互調(diào)截點(diǎn)IIP3、增益、增益1dB壓縮點(diǎn)壓縮點(diǎn)（8）隔離度和穩(wěn)定性）隔離度和穩(wěn)定性引起不穩(wěn)定引起不穩(wěn)定的原因的原因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 失配法失配法采用采用共射共基共射共基（共源共柵）（共源共柵） 組合連接組合連接改進(jìn)措施改進(jìn)措施 中

10、和法中和法用用中和電容中和電容抵消抵消 由由 引起的反向傳輸引起的反向傳輸()b cCCb cCNC輸入輸入（7 7）線(xiàn)性范圍）線(xiàn)性范圍共射放大器共射放大器原理圖原理圖 BiBQIBEQV基極基極偏置偏置VBEQ 決定基極偏置電流決定基極偏置電流 IBQ集電極電源集電極電源 VCC負(fù)載電阻負(fù)載電阻 RL共同決定共同決定工作點(diǎn)工作點(diǎn)QBQICQICCLVR輸入信號(hào)輸入信號(hào)為為 , , svsBEQBEvVvmVqkTVT26當(dāng)當(dāng) ( ) 時(shí)時(shí)smTVV晶體管可用其晶體管可用其等效電路等效電路代替代替輸出電流輸出電流公式公式sBEvkTqCQvkTqSCeIeIi5.2.1 5.2.1 雙極型晶體

11、管共射小信號(hào)等效電路雙極型晶體管共射小信號(hào)等效電路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從從兩個(gè)兩個(gè)層次上加強(qiáng)對(duì)等效電路的理解層次上加強(qiáng)對(duì)等效電路的理解理解晶體管作為理解晶體管作為放大器的本質(zhì)放大器的本質(zhì)注意兩點(diǎn)注意兩點(diǎn)電路中的所有電路中的所有參數(shù)均與工作點(diǎn)參數(shù)均與工作點(diǎn)Q有關(guān)有關(guān) 該電路是該電路是交流交流小信號(hào)小信號(hào)等效電路等效電路 混合混合 型等效電路型等效電路一個(gè)一個(gè)電壓控制的電流源電壓控制的電流源 正向傳輸正向傳輸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

12、ce極限極限工作頻率工作頻率 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)定晶體管作為晶體管作為放大器的本質(zhì)放大器的本質(zhì)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(chēng)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

13、接入晶體管、負(fù)載部分接入5.3 低噪聲放大器設(shè)計(jì)低噪聲放大器設(shè)計(jì)（2）畫(huà)出放大器的交流通路圖畫(huà)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(huà)畫(huà)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(kāi)路開(kāi)路 僅做偏置用的直流電阻僅做偏置用的直流電阻可不畫(huà)可不畫(huà)分析電路步驟分析電路步驟 畫(huà)交流圖畫(huà)交

14、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完整電路完整電路GLCGLC對(duì)對(duì)線(xiàn)圈部分接入進(jìn)行折合線(xiàn)圈部分接入進(jìn)行折合交流等效電路CL2iey2p1pbadc0G參數(shù)等效電路cbeCL2iey2p1pbadc0GbVieyoeycreVybfeVycVLYCL2iey2p1pbadc0GoeCbfeVyLYoegcV集電極等效電路CL2iey2p1pbadc0GLYabVbfeVyp1oegoeC經(jīng)阻抗變換后的等效電路選擇回路電抗元件：選擇回路電抗元件：gCLbfeVyp10VCL2p1pbadc0GL

15、YabVbfeVyp1oegoeC0V2iey22201ieLypLjCjGY222212222102121ieoeieoeoeoeoeoeCpCpCCgpgpGgCpCgpg、電壓增益：1LjCjgVyppYVyppVpVpVpVVifeifeab121212020200LjCCpCpjGgpgpyppVVAieoeieoefeiov1222210222212122221021210002121ieoefefevLfevgpgpGyppgyppAffQjgyppA諧振增益為：，即回路諧振時(shí)，對(duì)應(yīng)當(dāng)在諧振角頻率附近時(shí)：當(dāng)角頻率：、諧振頻率及諧振增益2LCf210回路諧振頻率：gCLbfeVyp

16、10V、功率增益：3路可簡(jiǎn)化成下圖：諧振時(shí)，放大器等效電122202222000ieiiieieabipgVPgVgpVPPPG12201222000ieievieiieipggAgVgVPPG變化的曲線(xiàn)隨相似，放大器諧振曲線(xiàn)：與并聯(lián)回路fAAvv0、諧振曲線(xiàn)和通頻帶42000211211ffQffQjAALLvv022442121222121217 . 07 . 0212107 . 07 . 00000007 . 0020vACyppfCfyppgyppACfffCQCggCLgQQffffQffQfefefevLLLLL，得：時(shí)，即當(dāng)sLwQGyCfAQppHLSymSypFCSgpFCm

17、SgymAIVVNPNDGMHzfprevrerefefeoeoeieieECE566007 . 0002101084. 3104 . 1103021001121003 . 014 . 18 .88310223 .585 . 9400122 . 1264733013 . 3的作用。解：設(shè)暫且不考慮振？為多少，才能使回路諧；回路電容；通頻帶得電壓增益求：?jiǎn)渭?jí)放大器諧振時(shí)放大器。負(fù)載是另一級(jí)相同的；回路空載品質(zhì)因數(shù)，；接入系數(shù)回路電感。，；，；，；，參數(shù)是：時(shí)，其，高頻管。當(dāng)型；晶體管用中，設(shè)工作頻率例：圖MHzACyppfpFCpCpCCpFLfCCpCpCCgyppASgpgpGgvfeieo

18、eieoefevieoep35. 4224 . 920104 . 110304141:3255. 03 .583 . 01055. 0102 . 13 . 04 . 00384. 00217 . 0222216262222222121033222221通頻帶為：回路總電容諧振電壓增益回路總電導(dǎo)多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器。加，回路總通頻帶變窄帶寬縮減因子，級(jí)數(shù)增通頻帶計(jì)算為：諧振曲線(xiàn)為：全相同，則若各級(jí)單諧振放大器完，則總增益、為級(jí)，各級(jí)電壓增益分別假如放大器有1212212221211.1017 . 017 . 0220012121mLmmmmLmmmvmvmvvmvmvvQfffffQAAAAAAAAAAAm例 某中頻放大器的通頻帶為MHz, 現(xiàn)采用兩級(jí)或三級(jí)相同的單調(diào)諧放大器, 兩種情況下對(duì)每一級(jí)放大器的通頻帶要求各是多少？MHzffmMHzffmffmm8.11121062106212332.9121062106212221223167.067.0312167.067.0217.017.0要求每級(jí)帶寬：時(shí)，要求每級(jí)帶寬：時(shí)，當(dāng)解：根據(jù)表表 單調(diào)諧放大器矩形系數(shù)與級(jí)數(shù)的關(guān)系單調(diào)諧放大器矩形系數(shù)與級(jí)數(shù)的關(guān)系 級(jí)數(shù)n12345678910矩形系數(shù)Kn01 9.9