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摘要
近年来，以电池作为电源的电子产品得到广泛使用，迫切要求采用低电压的模拟电路来降低功耗，所以低电压、低功耗模拟电路设计技术正成为研究的热点。本文主要讨论电感负反馈cascode-CMOS-LNA（共源共栅低噪声放大器）的噪声优化技术，同时也分析了噪声和输入同时匹配的SNIM技术。以噪声参数方程为基础，列出了简单易懂的设计原理。为了实现低电压、低噪声、高线性度的设计指标，在本文中使用了三种设计技术。第一，本文以大量的篇幅推导出了一个理想化的噪声结论，并使用Matlab分析了基于功耗限制的噪声系数，取得最优化的晶体管尺寸。第二，为了实现低电压设计，引用了一个折叠式的共源共栅结构低噪声放大器。第三，通过线性度的理论分析并结合实验仿真的方法，得出了设计一个高线性度的最后方案。另外，为了改善射频集成电路的器件参数选择的灵活性，在第四章中使用了一种差分结构。所设计的电路用CHARTER公司0.25μm CMOS 工艺技术实现，并使用Cadence的spectre RF 工具进行仿真分析。本文使用的差分电路结构只进行了电路级的仿真，而折叠式的共源共栅电路进行了电路级的仿真、版图设计、版图参数提取、电路版图一致性检查和后模拟，完成了整个低噪声放大器的设计流程。
折叠式低噪声放大器的仿真结果为：噪声系数NF为1.30dB，反射参数S11、S12、S22分别为-21.73dB、-30.62dB、-23.45dB，正向增益S21为14.27dB，1dB压缩点为-12.8dBm，三阶交调点IIP3 为0.58dBm。整个电路工作在1V电源下，消耗的电流为8.19mA，总的功耗为8.19mW。
所有仿真的技术指标达到设计要求。
关键字：低噪声放大器；噪声系数；低电压、低功耗；共源共栅；噪声匹配
ABSTRACT
In recent years, electronics with battery supply are widely used, which cries for adopting low voltage analog circuits to reduce power consumption, so low voltage, low power analog circuit design techniques are becoming research techniques for inductively degenerated cascode CMOS low-noise amplifiers (LNAs) with on-chip inductors. And it reviews and analyzes simultaneous noise and input matching techniques (SNIM). Based on the noise parameter equations, this paper provides clear understanding of the design principle. In order to achieve low-voltage, low noise, specifications, in this paper by three design technology. Firstly, using Matlab tool analyzes noise figure based on power-constrained, and obtain the optimum transistor size. Secondly, design a folded-cascode-type LNA to reduce the power supper. Third, through theoretical analysis of Linear and combine simulation methods, I obtain a final design of a the other side, in order to improve the radio frequency integrated circuit device parameters of flexibility, this paper presents a difference in the structure in the fourth chapter. The proposed circuit design is realized using csm25RF 0.25μm CMOS technology, simulated with Cadence specter RF.
Based on csm25RF 0.25μm CMOS technology, the resulting differential LNA achieves 1.32dB noise figure, -20.65dB S11, -24dB S22, -30.27 S12, 14 dB S21. The LNA's 1-dB compression point is -13.3dBm, and IIP3 is -0.79dBm, with the core circuit consuming 8.1mA from a 1V power supply.
Key words：low-noise amplifier (LNA)；noise figure；low voltage low power；cascode；
noise matching
目录
第一章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2研究现状及存在的问题 (2)
1.3本论文主要工作 (3)
1.4论文内容安排 (3)
第二章射频电路噪声理论和线性度分析 (4)
2.1噪声理论 (4)
2.1.1 噪声的表示方法 (4)
2.1.2 本文研究的器件噪声类型 (5)
2.1.2.1 热噪声 (5)
2.1.2.2 MOS噪声模型 (6)
2.1.3 两端口网络噪声理论 (7)
2.1.4 多级及联网络噪声系数计算 (9)
2.2MOSFET两端口网络噪声参数的理论分析 (10)
2.3降低噪声系数的一般措施 (13)
2.4MOS LNA线性度分析 (14)
2.4.1 1dB压缩点 (14)
2.4.2 三阶输入交调点IIP3 (16)
2.4.3 多级及联网络线性度表示方法（起最重要作用的线性级） (17)
2.5小结 (18)
第三章 CMOS低噪声放大器的设计理论推导 (20)
3.1LNA设计指标 (20)
3.1.1 噪声系数 (20)
3.1.2 增益 (20)
3.1.3 线性度 (20)
3.1.4 输入输出匹配 (21)
3.1.5 输入输出隔离 (21)
3.1.6 电路功耗 (21)
3.1.7 稳定性 (21)
3.2CMOS LNA拓扑结构分析 (21)
3.2.1 基本结构及比较 (21)
3.2.2 源极去耦与噪声、输入同时匹配(SNIM)的设计 (22)
3.2.3 共源共栅电路结构（cascode） (27)
3.2.4 功率限制的单端分析—获得最佳化的宽长比 (29)
3.3其它改进型电路比较 (31)
3.4偏置电路的设计 (33)
3.5 CASCODE设计结论 (34)
第四章 2.4GHZ LNA电路设计 (35)
4.1工艺库的元器件 (35)
4.2差分CASCODE电路 (35)
4.2.1 差分电路的设计 (35)
4.2.2 差分电路的电路极仿真 (37)
4.3单端CASCODE电路 (39)
4.3.1 单端电路的设计 (39)
4.3.2 单端电路的电路级仿真 (42)
4.3.3 单端电路的版图设计、提取及后模拟 (45)
4.4电路级仿真和后模拟仿真总结 (48)
4.5与其它电路的比较 (49)
结束语 (50)
致谢 (51)
参考文献 (52)
附录A 二端口网络的噪声理论补充 (53)
附录B S参数与反射系数 (55)
B.1双端口网络S参数 (55)
B.2反射系数与S参数的关系 (56)
B.3其它参数与S参数的关系 (57)
附录C 电感源极负反馈共源电路噪声推导 (58)
附录D MATLAB程序 (62)
第一章绪论
1.1 课题背景
在最近的十多年来，迅猛发展的射频无线通信技术被广泛地应用于当今社会的各个领域中，如：高速语音来，第3代移动通信(3G)、高速无线互联网、Bluetooth以及利用MPEG标准实现无线视频图像传输的卫星电视服务等技术是日新月异，无线通讯技术得到了飞速发展，预计到2010年，无线通信用户将达到10亿人[1]，并超过有线通信用户。这种潜在的市场造成了对射频集成电路的巨大需求。原来的混合电路由于不能满足低成本、低功耗和高集成度的要求，而必然要被集成度越来越高的集成电路所取代，并最终形成单片射频收发机芯片。
典型的射频收发设备除了对功耗、速度、成品率等性能的要求外，还要考虑噪声、线性范围、增益等指标。在硅CMOS，BiCMOS、双极工艺、GaAs MESFET，异质结双极晶体管(HBT)，GeSi器件等众多工艺中，虽然硅CMOS的高频性能和噪声性能不是最好的，但是由于它的工艺最为成熟、成本最低、功耗最小、应用也最为广泛，且随着工艺水平的不断提高，硅CMOS的频率特性和噪声特性正在逐渐得到了改善。重要的是，只有采用硅CMOS工艺才能最终实现单片集成。因此，CMOS射频集成电路是未来的发展趋势[1]。近几十年来，世界各国的研究人员在CMOS射频集成电路的设计和制作方面进行了大量的研究和探索，使CMOS射频集成电路的性能不断得以改善。乐观的估计，在最近几年里，CMOS射频集成电路将彻底改变无线通信的面貌。
射频接收机通常有四种结构：超外差结构、直接变频结构、宽中频变
频结构、和低中频变频结构。这四种结构各有优点和缺点，接收机的结构由系统指标决定，包括系统工作频率、接收机动态范围、功耗和集成度等。图1-1所示为超外差接收机的系统框图。这是较为常用的射频接收机结构。一个完整的射频收发系统包括RF前端和基带处理部分，RF前端又称作接收器，它决定着整个系统的基本性能指标，如误码率、发射功率、信道的抗干扰能力等。而低噪声放大器(LNA)是RF前端的最前端，它直接感应天线接收到的微弱信号，并对其放大，然后传递给后级进行处理，是整个接收通道最为关键的模块之一。因此，本文主要研究2.4GHz LAN在功耗限制和低电压条件下获得低噪声、高线性度的方法。
射频中频
图1-1 超外差接收机的系统框图[2]
1.2 研究现状及存在的问题
近年来，射频集成电路(RF IC)的应用和研究得到了飞速的发展，CMOS射频集成电路的研究更是成为该领域的研究热点。低噪声放大器是射频接收机中的一个关键，它位于接收机系统的第一级，决定着接收机系统的整体噪声系数。在CMOS射频接收前端，低噪声放大器大约占
前端功耗的一半左右，由于低功耗和低噪声是一对矛盾，在设计时需要权衡考虑[3]。
现在几个应用比较多的无线频段有欧洲433MHz的ISM 段，应用于手机GSM 的900MHz和1.8GHz，应用于蓝牙(Bluetooth)的2.4GHz，以及应用于WLNA的2.4GHz和5GHz，这些频率都可以用目前的CMOS 工艺来实现，目前已有相应的少量产品问世。由于CMOS射频集成电路是一门比较新的研究领域，国外也是刚刚起步，这对国内的集成电路行业是一个很好的发展契机。
但是，目前仍然有许多问题需要研究和解决，尤其是射频MOS管的建模问题以及高性能电感的实现。一方面是MOS管、片上电感、电容、衬底的寄生参数的提取问题，另一方面是这些参数随偏置条件和特征尺寸的缩小而变化的问题。对这些问题的研究和解决，将极大地降低射频集成电路的设计难度。
电感和电容是射频集成电路中必不可少的部分，虽然它们已经可以在片上集成，但是目前它们和片外的分立电容、电感相比还有很大的差距，还不能完全满足射频电路的需要。CMOS射频集成电路面临的主要问题就是无法得到高品质因数(Q)的无源器件。片上电感Q值与电感面积成比例关系，在面积受限的情况下，大幅提高Q值尚有一定的困难[1,2,4]。
在电路实现方面，一方面需要完善和提高各个模块的性能，另一方面，需要研究将整个前端整合到一个芯片上时各个模块之间的协同考虑和衬底的串扰问题。另外，还需要考虑功耗和可测试性的问题存在。
随着特征尺寸的不断缩小，MOS晶体管的截止频率得到了提高，从而可以较为容易地实现较高工作频率的射频集成电路和提高、改善LNA 电路中的各种指标。然而，特征尺寸的缩小却会带来其他方面的问题，例如随着栅长的缩小，沟道的电场场强增强，漏端电流噪声增大等等[1,2]。
这些问题都必须认真考虑。
1.3 本论文主要工作
在射频低噪声放大器的设计中，各指标存在一定的相互制约性。为了获得较好的性能指标，一般采用提高电路中各元器件的静态工作点，以牺牲功耗来实现高性能。
本文研究的2.4GHz LNA电路可以应用于无线局域网(WLNA)和蓝牙技术。在本文中，完成了MOS晶体管的噪声分析，实现了噪声、输入同时匹配的理论研究和电路的实现。着重于研究LNA电路的噪声理论，也比较了多种降低噪声和提高线性度的电路结构。为了减小漏电流三阶频率项，提出消除三阶项的偏置电路等等。
电路中的各个指标都是相互制约的，一个指标得到提高，其它指标都会有所减小。在本文中，主要是完成低电压低功耗条件下的低噪声研究，其次再研究实现高线性度的方法。
1.4 论文内容安排
本论文的内容安排如下：
第一章绪论是对本课题研究的项目分析。
第二章列出射频电路噪声理论和线性度分析。作为接收通道的射频前端，低噪声放人器的噪声性能决定着整个通路的噪声特性，进而决定了接收机的灵敏度。低噪声放大器的噪声性能还对接收机的动态工作范围起着重要的影响，可见，噪声性能优化是低噪声放大器设计的关键。这一章中，介绍了噪声的一般计算方法，推导出MOSFET二端口网络的噪声表达式，得出减小噪声的一般方法，说明了最简单的噪声匹配理论。
在这一章节中，也说明了LNA的线性度计算方法。
第三章首先介绍了LNA的设计指标。在原有的设计技术上，进一步推导出了噪声、输入同时匹配的设计技术，进而推导出本文的LNA设计理念。在低噪声放大器的设计中，噪声的设计最为重要，而晶体管的宽长比(WL)是决定电路噪声系数的最要因数，而静态工作点则主要影响到电路的功耗。在LNA拓扑结构的分析中，得出了一系列的设计方程，使用Matlab工具，则可以从仿真图中得出了最佳的宽长比(WL)。本章中也简单说明了一种恒跨导的偏置电路设计。
第四章，利用前面三章介绍的设计方法设计出了两个电路，一个是差分电路，一个是单端电路，并对这两个电路进行了比较。其中，在单端电路中进行了高线性度的设计，并通过了电路级仿真、版图设计、版图提取、版图电路一致性检查和后模拟。
第二章射频电路噪声理论和线性度分析
评价一个射频系统的性能优劣时，两个很重要的指标是噪声系数和非线性失真。在本章中，将会以大量的篇幅来论述经典的噪声理论基础。
2.1 噪声理论
低噪声放大器位于接收通道的第一级，它的噪声特性将大大影响整个系统的噪声特性。噪声是低噪声放大器设计中的主要考虑因素，这也是低噪声放大器一词的由来。另外，从总体上来说，CMOS器件的噪声特性比双极型器件(Bipolar)或GaAs器件的噪声特性差，因此，对于CMOS 低噪声放大器的设计，噪声性能的优化更是设计的重点和难点。为了进一步优化低噪声放大器的噪声系数，有必要深刻理解各元件的噪声产生
机理，并精确的模拟电路中各元件产生的噪声，估计系统的输出端噪声，这对电路的设计也是十分重要的。目前，随着先进的亚微米CMOS 工艺应用于射频芯片设计，MOSFET 的高频噪声模型显的更为重要，对亚微米MOSFET 的高频噪声进行建模也是近年来的一个研究热点，因此本文对RFIC 中MOS 管的高频噪声模型的并结合本文所采用的工艺进行分析总结。本章的第一节介绍噪声的基础理论；第二节则重点讨论MOSFET 的高频噪声。第三章主要论述线性度的基本理论。
2.1.1 噪声的表示方法
噪声是一种随机变量，它来源于射频系统中的各元器件。对于随机过程，不可能用某一确定的时间函数来描述。但是，它却遵循某一确定的统计规律，可以利用其木身的概率分布特点来充分地描述它的特性。一般采用噪声电压或噪声电流的平均值、方差、功率普密度来描述。
有噪系统的噪声性能可用噪声系数的大小来衡量。噪声系数定义为系统输入信噪功率比与输出信噪功率比的比值：
()()o
o i i o i N P N P SNR SNR F ===输出端的信噪比输入端的信噪比 (2.1) 噪声系数常用分贝数表示：
(2.2)
可以看出，噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。如果系统是无噪的，不管系统的增益多大，输入的信号的噪声都同样被放大，而没有添加任何噪声，因此输入输出的信噪比相等，相应的噪声系数为1。有噪系统的噪声系数均大于1。
2.1.2 本文研究的器件噪声类型
在射频集成电路的设计中使用到的电子器件有电阻、电感、电容、晶体管(包括双极型晶体管和场效应晶体管)等。在这些电子器件中存在的噪声，按照噪声的来源可以分为：热噪声、散射噪声(shot noise)、闪烁噪声、散弹噪声(popcorn noise)等。在本论文研究的范围内主要是考虑电阻的热噪声和MOS管的漏端沟道噪声和栅极耦合噪声。
2.1.2.1 热噪声
R(有噪)R(无噪)
R(无噪)
2
n
D
2
n
I
图2-1 电阻的热噪声及其等效电路
热噪声是导体中电荷载流子(电子、空穴)无序热运动所产生的噪声。
由于几乎没有绝对零度的环境，因而导体中的热噪声无法避免。这种噪
声最早是Johnson于1928年由实验观察得到，其后Nyquist又从理论角
度进行了定量的分析。计算一个有噪电阻在频带宽度为B的线性网络内
的噪声时，可以看作是阻值为R的理想无噪电阻与一有噪声电流源并联，
或阻值为R的理想无噪电阻与一个噪声电压源串联，如图2-1所示。根
据Nyquist的定义，噪声均方电压或电流的表达式为[2]：
(2.3)
(2.4) 式中k为波尔兹曼常数，，T为绝对温度，室温下为290K，B为带宽。当负载与信号源内阻匹配时，负载能够得到噪声的最大输出功率。若把电阻R的热噪声作为噪声源，则当此噪声源的负载与它匹配时，它所能输出的最大噪声功率，或者它的额定功率为：
(2.5) 由式(2.5)可知，它与电阻本身的大小无关，仅与温度和系统带宽有关。
在集成电路的设计中，各种元器件不可避免的都存在一定的阻抗，因此热噪声是最为普遍存在的一种噪声。
2.1.2.2 MOS噪声模型
图2-2 MOS管的简化噪声模型
晶体管实际上是一个可控的电阻。尤其是MOSFET，在强反型区，表面沟道就是一个电阻，且沟道电流主要是由偏移电流构成。因而可以推断，MOSFET的噪声主要是由沟道电组的热噪声形成。由于栅电容的存在，沟道电阻的分布特性会将沿沟道方向局部产生的热噪声通过局部栅电容耦合到栅极上去。
尽管产生热噪声的源只有沟道电阻，但其分布特性和与栅电容的耦
合，使得用少数几个集总元件在MOS模型中表征噪声特性不那么容易。Van der Ziel考虑了沟道的分布特性提出了两个噪声源来表征的模型[1]。一个是接在漏源之间的电流源，记为（下标d指漏极）；另一个是接在栅源之间的电流源，记为。其等效电路如图2-2所示。漏端噪声电流的值为
(2.6) 其中，是时的共源输出电导，γ为工艺参数，长沟道器件γ≈23，对于短沟器件γ在2~3之间[5]。栅噪声电流的均方值为：
(2.7)
(2.8) 式中δ为栅噪声系数，约为43。由式(2.7)、(2.8)可以知道，栅噪声电流与晶体管的栅源电容和工作频率都是二次方成正比关系。栅噪声电流是通过栅源电容Cgs产生的一种非准静态效应引入得栅噪声，所以式(2.7) 与式(2.6)具有一定的相关性，通常用相关系数“c”来表示。
在有关MOS噪声的讨论中，只需考虑沟道热噪声和栅漏之间的耦合噪声。在研究MOS管的噪声时，可以忽略其它噪声的影响。实际上，MOS晶体管的栅寄生电阻的热噪声、衬底寄生阻抗引入的热噪声以及沟道热噪声通过背栅调剂而引入的衬底噪声，都是不可忽略的，它们对放大器的噪声性能具有很大的影响。图2-3为考虑栅阻噪声和衬底噪声的MOS管噪声模型。
G S
G
R
图2-3
考虑栅热噪声和衬底噪声的MOS 噪声模型[1]
2.1.3 两端口网络噪声理论
对于一个含有噪声的二端口网络，将噪声用一个和信号源串联的噪声电压源和一个并联的噪声电流源表示，从而将该网络看作无噪声网络。二端口网络由一个导纳为及等效的并联噪声电流源构成的噪声源驱动。见图2-4所示[1,2]。
(a)(b)
图2-4 有噪两端口网络和它的等效表示形式
合理假设噪声源和二端口网络的噪声功率不相关，可知噪声系数的表达式为（推导过程可以参考附录A ）：
(2.9)
考虑和之间可能的相关情形，把表示成和两个分量之和。与相关，不相关，设，可得： ()()2
22
221s n c s u s n
c s u s i v Y Y i i v Y Y i i F ?+++=?+++= (2.10)
公式(2.10)包括了三个独立的噪声源，每个都可以看成是一个等效电阻或电导产生的热噪声：
(2.11)
(2.12)
(2.13)
利用上面三式，可以将噪声因子用阻抗和导纳表示为：
(2.14)
式中，已将每个导纳分解成电导G 和电纳B 的和。
由式(2.14)知，一旦一个给定的二端口网络的噪声特性己用它的四个噪声参数（、、和）表示，那么就可以求出使噪声因子达到最小的一般条件。即只要对噪声源导纳求一阶导数并使它为零，必有：
(2.15)
(2.16)
可见，为了使噪声因子最小，应当使噪声源的电纳等于相关电纳的负值，而噪声源的电导等于公式(2.16)的值。
把公式(2.15)和(2.16)代入到公式(2.14)中，得到最小噪声因子： []
????????+++=++=c c n u n c opt n G G R G R G G R F 2min 2121 (2.17) 由式(2.17)可以推导式(2.14)的另一表示方法：
()()()[]
22min min min opt s opt s s n B B G G G R F F F F F -+-+
=-+=
(2.18)
上式表明，两端口网络的噪声性能可以由、、和四个噪声参数确定。由于这四个噪声参数容易从简单化的器件模型中计算得到，噪声因子的理论计算就变得简单明了。从式(2.18)可以看出，它表示的是一个恒噪声系数曲线，或者称为恒噪声系数圆。
2.1.4 多级及联网络噪声系数计算
由附录A 可以知道，每一个有噪网络都可以由三个参数来描述，即噪声等效温度Te 、噪声系数F 、额定功率增益Gp 。在实际的应用中，都需要使用多个有噪网络来实现一个特定功能的系统，如图2-5所示，是一个多级级联的噪声网络。
s V 图2-5 多级有噪线性网络的级联
[2] 设第一级输入噪声的功率为，根据等效噪声温度的定义，第一级的输出噪声功率是：
(2.19)
第二级输出噪声功率为：
???
? ??++=+=12102122122p e e p p e p p G T T T kB G G B kT G N G N (2.20) 将前两级级联系统的等效噪声温度设为，因而两级输出的噪声功率又可以表示为：
(2.21)
其中
(2.22)
由附录C 中的推导又可以知道等效噪声温度与噪声系数的关系，即
(2.23)
由式(2.22)和(2.23)可以得到两级级联网络的噪声系数表达式：
(2.24)
由此可以推导出，多级级联时的等效噪声温度和噪声系数分别为：
+++=2
13121p p e p e e e G G T G T T T (2.25) +-+-+
=21312111p p p G G F G F F F (2.26) 由以上的分析可以知道，描述一个有噪系统的内部噪声可以用三种方法：等效输入噪声源和、噪声系数、等效噪声温度，三者可以互相换算。但是噪声系数不仅仅与系统内部噪声有关，还与其源端的输入噪声有关，即与信号源内阻和信号源噪声温度有关。多级线性系统级联，系统总的噪声系数与各级噪声系数及增益有关，但主要取决于前级的噪声系数，为降低后级噪声对系统的影响，应加大前级的增益和尽量减小前级电路的噪声系数。
射频低噪声放大器电路设计详解 射频LNA 设计要求：低噪声放大器（LNA）作为射频信号传输链路 的第一级，它的噪声系数特性决定了整个射频电路前端的噪声性能，因此作为 高性能射频接收电路的第一级LNA 的设计必须满足：（1）较高的线性度以抑 制干扰和防止灵敏度下降;（2）足够高的增益，使其可以抑制后续级模块的噪 声;（3）与输入输出阻抗的匹配，通常为50Ω;（4）尽可能低的功耗， 这是无线通信设备的发展趋势所要求的。 InducTIve-degenerate cascode 结构是射频LNA 设计中使用比较多的结构之一，因为这种结构能够增加LNA 的增益，降低噪声系数，同时增加输入级 和输出级之间的隔离度，提高稳定性。InducTIve-degenerate cascode 结构在输入级MOS 管的栅极和源极分别引入两个电感Lg 和Ls，通过选择适当的电感 值，使得输入回路在电路的工作频率附近产生谐振，从而抵消掉输入阻抗的虚部。由分析可知应用InducTIve-degenerate cascode 结构输入阻抗得到一个50Ω的实部，但是这个实部并不是真正的电阻，因而不会产生噪声，所 以很适合作为射频LNA 的输入极。 高稳定度的LNA cascode 结构在射频LNA 设计中得到广泛应用，但是当工作频率较高时 由于不能忽略MOS 管的寄生电容Cgd，因而使得整个电路的稳定特性变差。 对于单个晶体管可通过在其输入端串联一个小的电阻或在输出端并联一个大的 电阻来提高稳定度，但是由于新增加的电阻将使噪声值变坏，因此这一技术不 能用于低噪声放大器。 文献对cascode 结构提出了改进，在其中ZLoad=jwLout//（jwCout）-
实验四：射频功率放大器 【实验目的】 通过功率放大器实验，让学生了解功率放大器的基本结构，工作原理及其设计步骤，掌握功率放大器增益、输出功率、频率范围、线性度、效率和输入/输出端口驻波比等主要性能指标的测试方法，以此加深对以上各项性能指标的理解。 【实验环境】 1．实验分组：每组2~4人 2．实验设备：直流电源一台，频谱仪一台，矢量网络分析仪一台，功率计一只，10dB衰减器一个，万用表一只，功率放大器实验电路 板一套 【实验原理】 一、功率放大器简介 功率放大器总体可分成A、B、C、D、E、F六类。而这六个小类又可以归入不同的大类，这种大类的分类原则，大致有两种：一种是按照晶体管的导通情况分，另一种按晶体管的等效电路分。按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分A、B、C三类。在信号的一周期内管子均导通，导θ（在信号周期一周内，导通角度的一半定义为导通角θ），称为A 通角? =180 θ。导通时间小于一半周期的类。一周期内只有一半导通的成为B类，即? =90 θ。如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大称为C类，此时? <90 类，它们的特点是：输入均为正弦波，晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E、F属于另一类功放，它们的导通角都近似等于? 90，均属于高功率的非线性放大器。 二、功率放大器的技术要求 功率放大器用于通信发射机的最前端，常与天线或双工器相接。它的技术要求为： 1. 效率越高越好 2. 线性度越高越好 3. 足够高的增益
4. 足够高的输出功率 5. 足够大的动态范围 6. 良好的匹配（与前接天线或开关器） 三、功率放大器的主要性能指标 1.工作频率 2.输出功率 3.效率 4.杂散输出与噪声 5.线性度 6.隔离度 四、功率放大器的设计步骤 1.依据应用要求（功率、频率、带宽、增益、功耗等），选择合适的晶体管 2.确定功率放大器的电路和类型 3.确定放大器的直流工作点和设计偏置电路 4.确定最大功率输出阻抗 5.将最大输出阻抗匹配到负载阻抗（输出匹配网络） 6.确定放大器输入阻抗 7.将放大器输入阻抗匹配到实际的源阻抗（输入匹配网络） 8.仿真功率放大器的性能和优化 9.电路制作与性能测试 10.性能测量与标定 五、本实验所用功率放大器的简要设计过程 1. PA 2. 晶体管的选择 本实验所选用的晶体管为安捷伦公司的ATF54143_PHEMT，这种晶体管适合用来设计功率放大器。单管在～处能达到的最大资用增益大于18dB，而1dB压缩点高于21dB。
低噪声放大器的设计 姓名：#### 学号：################ 班级：1######## 一、设计要求 1. 中心频率为1.45GHz ，带宽为50MHz ，即放大器工作在1.40GHz-1.50GHz 频率段； 2. 放大器的噪声系数NF<0.8dB ， S11<-10dB ，S22<-15dB ，增益Gain>15dB 。 二、低噪声放大器的主要技术指标 低噪声放大器的性能主要包括噪声系数、合理的增益和稳定性等。 1. 噪声系数NF 放大器的噪声系数（用分贝表示）定义如下： ()10lg in in out out S N NF dB S N ??= ??? 式中NF 为射频/微波器件的噪声系数；in S ，in N 分别为输入端的信号功率和噪声功率；out S ，out N 分别为输出端的信号功率和噪声功率。 噪声系数的物理含义是，信号通过放大器后，由于放大器产生噪声，使得信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。 2. 放大器的增益Gain 在微波设计中，增益通常被定义为传输给负载的平均功率与信号源的最大资用功率之比： S L P P Gain = 增益的值通常是在固定的频率点上测到的，低噪声放大器都是按照噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益Gain 要下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常，相关增益比最大增益大概低2～4dB. 3.稳定性 一个微波管的射频绝对稳定条件是2 2 1112212212211,1,1K S S S S S S ><-<-。只有当3个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。
三、低噪声放大器的设计步骤 1.下载并安装晶体管的库文件 (1)由于ADS2008自带的元器件库里并没有ATF54143的元器件模型，所以 需要从Avago公司的网站上下载ATF54143.zap,并进入ADS主界面,点击【File】——【Unarchive Project】进行安装。 (2)新建工程ATF54143_LNA_1_prj,执行菜单命令【File】——【Include/Remove Projects】将ATF54143_prj添加到新建工程中，这样新建工程就能使用器件ATF54143了。 2.确定直流工作点 低噪声放大器的设计的第一步是设置晶体管的直流工作点。 (1)在ADS中执行菜单【File】——【New Design】，在弹出的对话框中的 Schematic Design Templates下拉列表中选择“DC_FET_T”模板，在Name 文本框中输入DC_FET_T，单击【OK】，这样DC_FET控件就被放置在原理图中了。 (2)在原理图中放置器件ATF54143,设置DC_FET控件的参数并连接原理图如 图1所示。 图1 完整DC_FET_T原理图 (3)仿真得到ATF54143的直流特性图如图2所示。
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
微波电子线路大作业 ——低噪声功率放大器设计 班级：021013班 学号：02011268 姓名：
低噪声放大器的设计 一、设计要求： 已知GaAs FET 在4 GHz 、50 Ω系统中的S 参数和噪声参量为 S11=0.6∠－60°，S21=1.9∠81°， S12=0.05∠26°，S22=0.5∠－60° Fmin=1.6 dB Γout=0.62∠100°RN=20 Ω 设计一个低噪声放大器，要求噪声系数为2 dB ，并计算相应的最大增益。 若按单向化进行设计，则计算GT 的最大误差。 二、低噪声放大器设计原理及思路 1.1低噪声放大器功能概述 低噪声放大器是射频／微波系统的一种必不可少的部件，它紧接接收机天线，放大天线从空中接收到的微弱信号。低噪声放大器在对微弱信号放大的同时还会产生附加于扰信号，因此它的设计目标是低噪声，足够的增益，线性动态范围宽。低噪声放大器影响整机的噪声系数和互调特性，分析如下 （1） 系统接收灵敏度： （2） 多个级连网络的总噪声系数 1.2 放大器工作组态分类 A 类放大器（导通角360度，最大理论效率50%）用于小信号、低噪声，通常是接收机前端放大器或功率放大器的前级放大。 B 类（导通角180度，最大理论效率78.5%）和 C 类（导通角小于180度，最大理论效率大于78.5% ）放大器电源效率高，愉出信号谐波成分高，需要有外部混合电路或滤波电路．由B 类和C 类放大器还可派生出 D 类、 E 类、P 类等放大器。 min 114(dBm/Hz)NF 10log BW(MHz)/(dB) S S N =-+++321112121 11n tot A A A A A An F F F F F G G G G G G ---=+ +++L L
低噪放大器定义： 噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示。理想放大器的噪声系数 F=1（0分贝），其物理意义是输入信噪比等于输出信噪比。现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管；微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器，常温参放的噪声温度Te可低于几十度(绝对温度)，致冷参量放大器可达20K以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于 2 分贝。放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极基联的低噪声放大电路。 低噪放大器的原理： 地球站的品质因数（G/T）主要取决于天线和低噪声放大器（LNA）的性能。接收系统的噪声温度Ts是指折算到LNA输入端的系统等效噪声温度，它主要由天线噪声温度TA、馈线损耗LALA 和低噪声接收机噪声三个部分组成。 低噪放大器的应用： 低噪放大器(LNA)主要面向移动通信基础设施基站应用，例如收发器无线通信卡、塔顶放大器(TMA)、组合器、中继器以及远端/数字无线宽带头端设备等应用设计，并为低噪声指数(NF, Noise Figure)立下了新标竿。目前无线通信基础设施产业正面临必须在拥挤的频谱内提供信号质量和覆盖度的挑战，接收器灵敏度是基站接收路径设计中最关键的要求之一，合适的LNA选择，特别是第一级LNA可以大幅度改善基站接收器的灵敏度表现，低噪声指数也是关键的设计目标，Avago提供了1900MHz下0.48dB同级产品的噪声指数。另一个关键设计为线性度，它影响了接收器分辨紧密接近信号和假信号分别的能力，三阶截点OIP3可以用来定义线性度，在1900MHz和5V/51mA的典型工作条件下，Avago特有的GaAs增强模式pHEMT工艺技术可以带来0.48dB的噪声指数和35dBm的OIP3，在2500MHz和5V/56mA的典型工作条件下，噪声指数为0.59dB，OIP3则为35dBm。通过低噪声指数和高OIP3，这些Avago的新低噪声放大器可以提供基站接收器路径比现有放大器产品更大的设计空间。 LNA经历了早期液氦致冷的参量放大器、常温参量放大器的发展过程，随着现代科学技术的高速发展，近几年已被微波场效应晶体管放大器所取代，此种放大器具有尺寸小、重量轻和成本低的优异特性。特别是在射频特性方面具有低噪声、宽频带和高增益的特点。在C、Ku、Kv 等频段中已被广泛的使用，目前常用的低噪声放大器的噪声温度可低于45K。 在雷达射频接收系统中，对系统性能指标的要求越来越高，其中低噪声放大器是影响着整个接收系统的噪声指标的重要因素。与普通的放大器相比，低噪声放大器作用比较突出，一方面可以减少系统的杂波干扰，提高系统的灵敏度；另一方面可以放大系统的射频信号，保证系统正常工作。因此，低噪声放大器的性能制约着整个接收系统的性能，对整个接收系统性能的提高起了决定性的作用。因此，研制宽频带、高性能、更低噪声的放大器，已经成为微波技术中发展的核心之一。 由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示。理想放大器的噪声系数F=1（0分贝），其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管；微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器，常温参放的噪声温度Te可低于几十度（绝对温度），致冷参量放大器可达20K以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于2分贝。
基于ADS的射频功率放大器仿真设计 1.引言 各种无线通信系统的发展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半导体器件和射频功放的研究过程。射频功放在无线通信系统中起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能。因此，无线通信系统需要设计性能优良的放大器。而且，为了适应无线系统的快速发展，产品开发的周期也是一个重要因素。另外，在各种无线系统中由于采用了不同调制类型和多载波信号，射频工程师为减小功放的非线性失真，尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。采用Agilent ADS 软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步优化设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。功放（PA）在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为它的输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。 2.功率放大器基础 2.1功率放大器的种类 根据输入与输出信号间的大小比例关系，功放可以分为线性放大器与非线性放大器两种。输入线性放大器的有A、B、AB类；属于非线性放大器的则有C、E 等类型的放大器。 （1）A类：其功率器件再输入信号的全部周期类均导通，但效率非常低，理想状态下效率仅为50%。 （2）B类：导通角仅为180°，效率在理想状态下可达到78%。 （3）AB类：导通角大于180°但远小于360°。效率介于30%~60%之间。 （4）C类：导通角小于180°，其输出波形为周期性脉冲。理论上，效率可达100%。 （5）D、E类：其原理是将功率器件当作开关使用。 设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路构架。对于射频功放，有的系统需要高效率的功放，有些需要高功率且线性度佳的功放，有些需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的。例如，B、C、E类构架的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却较为严重；而A
射频功率放大器实时检测的实现 广播电视发射机是一个综合的电子系统，它不仅包括无线发射视音频通道，而且还包括通道的检测和自动控制电路，因此在设计时，它除了必须保证无线通道的技术指标处于正常范围外，还必须设计先进的取样检测和保护报警等电路，以确保发射机工作正常，从而实现发射机在线自动监测和控制。近年来，随着大功率全固态电视发射机多路功率合成技术的发展，越来越多的厂家采用模块化结构设计，因此单个功率放大器模块是整个发射机的基本测单元，本文就着重讨论单个模块的检测和控制电路，从而实现发射机在线状态自动监测。 一、工作原理 在功放模块中，主要检测和控制参数为电源电压，各放大管的工作电流，输出功率，反射功率，过温度和过激励保护等，图1为实现上述检测控制功能的方框图，它由取样放大电路，V/F变换，隔离电路，F/V变换，A/D转换，AT89C51，显示电路和输出保护电路等组成。 1、隔离电路 在功放模块中，由于大功率器件的应用，往往单个模块的输出功率都比较大，因而对小信号存在较大的高频干扰，如处理不好，就会影响后级模数转换电路工作，从而导致检测数据不准确，显示数据跳动的现象，甚至出现误动作。这里采用光电耦合器进行隔离，由于光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强、无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，从而将模拟电路和数字电路完全隔离，保障系统在高电压、大功率辐射环境下安全可靠地工作。 2、LM331频率电压转换器
V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。 图2是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。 当输入端Vi＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2) 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。 同样，由LM331也可构成频率－电压转换电路。
1.1 研究背景 随着人类社会进入信息化时代，无线通信技术有了飞速的发展，从手机，无线局域网，蓝牙等，到航空航天宇宙探测，已经深入到当今社会生活的各个方面，成为社会生活和发展不可或缺的一部分。无线通信设备由最初体积庞大且功能单一的时代，发展到如今的口袋尺寸，方寸之间集成了各类功能强大的电路。这些翻天覆地的变化，都离不开射频与微波技术的支持。而急速增长的应用需求又促使着射频微波领域不断的研究，更新换代。快速的发展使得射频微波领域的研究进入了白热化阶段，而在几乎所有的射频与微波系统中，都离不开信号的放大，射频与微波功率放大器作为系统中功耗最大，产生非线性最强的模块，它的性能将直接影响系统性能的优劣，由于其在射频微波系统中的突出位置，功率放大器的研究也成为射频微波领域研究的一个十分重要的方向[1]。 功率放大器作为射频微波系统中最重要的有源模块，其理论方面已经十分成熟。 A 类、 B 类、 C 类、 D 类、AB 类、E/I E 类、F/I F 类、Doherty等各类功率放大器也已经成功应用到各个领域。 1.2射频功率放大器的发展现状 射频功率放大器的核心器件为其功率元器件——晶体管，它是一种非线性三端口有源半导体器件，它的放大作用，并不是晶体管能凭空产生能量，使能量放大，而是完全由集电极(BJT)或漏极(FET)电源的直流功率转换而来的。晶体管只是起到了一种控制作用，即用比较小的信号去控制直流电源产生随小信号变化的大信号，从而把电源的直流功率转换成为负载上的信号功率。功率放大器的理论知识发展已经十分完善，其面临的更多是一些工程的问题。所以，射频功率放大器性能的提升主要来自于晶体管性能的提升，即半导体技术的发展，和放大器本身电路形式的改进。根据晶体管所用的半导体材料的不同，可以大体将其分为三个不同的发展阶段。第一代半导体材料以硅(Si)和锗( Ge)等元素半导体为主。第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟( InP)、锗硅(SiGe)等化合物半导体为代表，相比于第一代半导体材料，其禁带更宽、 1
以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。 摘要 近年来，以电池作为电源的电子产品得到广泛使用，迫切要求采用低电压的模拟电路来降低功耗，所以低电压、低功耗模拟电路设计技术正成为研究的热点。本文主要讨论电感负反馈cascode-CMOS-LNA（共源共栅低噪声放大器）的噪声优化技术，同时也分析了噪声和输入同时匹配的SNIM技术。以噪声参数方程为基础，列出了简单易懂的设计原理。为了实现低电压、低噪声、高线性度的设计指标，在本文中使用了三种设计技术。第一，本文以大量的篇幅推导出了一个理想化的噪声结论，并使用Matlab分析了基于功耗限制的噪声系数，取得最优化的晶体管尺寸。第二，为了实现低电压设计，引用了一个折叠式的共源共栅结构低噪声放大器。第三，通过线性度的理论分析并结合实验仿真的方法，得出了设计一个高线性度的最后方案。另外，为了改善射频集成电路的器件参数选择的灵活性，在第四章中使用了一种差分结构。所设计的电路用CHARTER公司0.25μm CMOS 工艺技术实现，并使用Cadence的spectre RF 工具进行仿真分析。本文使用的差分电路结构只进行了电路级的仿真，而折叠式的共源共栅电路进行了电路级的仿真、版图设计、版图参数提取、电路版图一致性检查和后模拟，完成了整个低噪声放大器的设计流程。 折叠式低噪声放大器的仿真结果为：噪声系数NF为1.30dB，反射参数S11、S12、S22分别为-21.73dB、-30.62dB、-23.45dB，正向增益S21为14.27dB，1dB压缩点为-12.8dBm，三阶交调点IIP3 为0.58dBm。整个电路工作在1V电源下，消耗的电流为8.19mA，总的功耗为8.19mW。
低噪声放大器设计指南 1．低噪声放大器在通讯系统中的作用 随着通讯工业的飞速发展，人们对各种无线通讯工具的要求也越来越高，功率辐射小、作用距离远、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通讯设备制造商的普遍追求，这就对系统的接收灵敏度提出了更高的要求，我们知道，系统接收灵敏度的计算公式如下： S = -174+ NF+10㏒BW+S/N (1) min 由上式可见，在各种特定（带宽、解调S/N 已定）的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。 低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 2． 低噪声放大器的主要技术指标： 2．1 噪声系数NF 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： out out in in N S N S NF //= 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 222min |1)||1(||4opt s opt s n R NF NF Γ?Γ?Γ?Γ+= 其中 F min 为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的， Γopt 、Rn 和Γs分 别为获得 F min 时的最佳源反射系数、 晶体管等效噪声电阻、以及晶体管输入端的源反射系数。 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： NF=NF 1+(NF -1)/G 1+(NF -1)/G 1G +…… （4） 232其中NF n 为第n级放大器的噪声系数，G n 为第n级放大器的增益。 在某些噪声系数要求非常高的系统，由于噪声系数很小，用噪声系数表示很不方便，常常用噪声温度来表示，噪声温度与噪声系数的换算关系为： T e = T 0 ( NF – 1 ) （5） 其中T e 为放大器的噪声温度，T 0 =2900 K，NF为放大器的噪声系数。 NF(dB) = 10LgNF （6） 2． 2 放大器增益G： 放大器的增益定义为放大器输出功率与输入功率的比值： G=P out / P in （7） 从式（4）中可见，提高低噪声放大器的增益对降低整机的噪声系数非常有利，但低噪声放大器的增益过高会影响整个接收机的动态范围。 所以，一般来说低噪声放大器的增益确定应与系统的整机噪声系数、接收机动态范围等结合起来考虑。
射频设计报告低噪声放大器的设计
目录 1 前言 (1) 2 低噪声放大器的主要技术指标 (2) 2.1 工作频率与带宽 (2) 2.2 噪声系数 (2) 2.3 增益 (2) 2.4 放大器的稳定性 (3) 2.5 输入阻抗匹配 (3) 2.6 端口驻波比和反射损耗 (4) 3 低噪声放大器的设计指标 (5) 4 设计方案 (6) 4.1 直流分析及偏置电路的设计 (6) 4.2 稳定性分析 (9) 4.3 匹配网络设计 (10) 4.4 最大增益的输出匹配 (13) 4.5 匹配网络的实现 (17) 4.6 版图的设计 (18) 5. 学习心得 (25) 参考文献 (26)
1 前言 低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)是射频接收机前端的重要组成部分。它的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，足够高的增益克服后续各级(如混频器)的噪声，并尽可能少地降低附加噪声的干扰，以供系统解调处所需要的信息。LNA一般通过传输线直接和天线或天线滤波器相连，由于处于接收机的最前端，其抑制噪声的能力直接关系到整个接收系统的性能。因此LNA的指标越来越严格，不仅要求有足够小的低噪声系数，还要求足够高的功率增益，较宽的带宽，在接收带宽内功率增益平坦度好。该设计利用微波设计领域的ADS软件，结合低噪声放大器设计理论，利用S参数设计出结构简单紧凑，性能指标好的低噪声放大器。 低噪声放大器，它的噪声系数很低。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。 安捷伦公司的ATF54143是一种增强型伪高电子迁移率晶体管( E-pHEMT) , 不需要负栅极电压, 与耗尽型管相比较, 可以简化排版而且减少零件数, 该晶体管最显著的特点是低噪声, 并具有高增益、高线性度等特性, 他特别适用于工作频率范围在450MHz~6GHz 之间的蜂窝/ PCS/ WCDMA基站、无线本地环路、固定无线接入和其他高性能应用中的第一阶和第二阶前端低噪声放大器电路中。
微波电路CAD 射频实验报告 姓名 班级 学号
实验一低噪声放大器的设计制作与调试 一、实验目的 （一）了解低噪声放大器的工作原理及设计方法。 （二）学习使用ADS软件进行微波有源电路的设计，优化，仿真。 （三）掌握低噪声放大器的制作及调试方法。 二、实验内容 （一）了解微波低噪声放大器的工作原理。 （二）使用ADS软件设计一个低噪声放大器，并对其参数进行优化、仿真。 （三）根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。 （四）对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求。 三、实验步骤及实验结果 （一）晶体管直流工作点扫描 1、启动软件后建立新的工程文件并打开原理图设计窗口。 2、选择File——New Design…进入下面的对话框； 3、在下面选择BJT_curve_tracer，在上面给新建的Design命名，这里命名为BJT Curve； 4、在新的Design中，会有系统预先设置好的组件和控件； 5、如何在Design中加入晶体管；点击，打开元件库； 6、选择需要的晶体管，可以点击查询； 7、对41511的查询结果如下，可以看到里面有这种晶体管的不同的模型； 8、以sp为开头的是S参数模型，这种模型不能用来做直流工作点的扫描； 9、选择pb开头的模型，切换到Design窗口，放入晶体管，按Esc键终止当前操作。 10对41511的查询结果如下，可以看到里面有这种晶体管的不同的模型 11、以sp为开头的是S参数模型，这种模型不能用来做直流工作点的扫描 12、选择pb开头的模型，切换到Design窗口，放入晶体管，按Esc键终止当前操作。 图1 BJT Curve仿真原理图
浅谈射频放大器下的低噪放大器 射频放大器 射频功率放大器（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。 分类及用途 射频功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。 技术参数 放大器的主要技术指标： （1）频率范围：放大器的工作频率范围是选择器件和电 路拓扑设计的前提。 （2）增益：是放大器的基本指标。按照增益可以确定放 大器的级数和器件类型。G（db）=10log（Pout/Pin）=S21（dB） （3）增益平坦度和回波损耗 VSWR《2.0orS11，S22《-10dB （4）噪声系数：放大器的噪声系数是输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值，表示信号经过放大器后信号质量的变坏程度。NF（dB）=10log［（Si/Ni）/（So/No）］
基本概念 射频功率放大器(RF PA)是发射系统中的主要部分，其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大（缓冲级、中间放大级、末级功率放大级）获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后，射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。 放大器的功能，即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容，我们称之为“信号”，往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说，它的“贡献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平，并向外界“输出”。如果放大器能够有好的性能，那么它就可以贡献更多，这才体现出它自身的“价值”。如果放大器存在着一定的问题，那么在开始工作或者工作了一段时间之后，不但不能再提供任何“贡献”，反而有可能出现一些不期然的“震荡”，这种“震荡”对于外界还是放大器自身，都是灾难性的。 射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。 分类 根据工作状态的不同，功率放大器分类如下：
传统线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。 开关型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)，使电子器件工作于开关状态，常见的有丁（D）类放大器和戊（E）类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到100%。 传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低，而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率，但线性度差。具体见下表： 电路组成 放大器有不同类型，简化之，放大器的电路可以由以下几个部分组成：晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。
低噪声放大器设计仿真及优化 摘要 快速发展的无线通信对微波射频电路如低噪声放大器提出更高的性能。低噪声放大器(LNA)广泛应用于微波接收系统中，是重要器件之一，它作为射频接收机前端的主要部分，其主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据。它的噪声性能直接决定着整机的性能，进而决定接收机的灵敏度和动态工作范围。而近年来由于无线通信的迅猛发展也对其提出了新的要求，主要为：低噪声、低功耗、低成本、高性能和高集成度。所以本论文针对这一需求，完成了一个2.45GHz无线射频前端接收电路的低功耗低噪声放大器的设计。 本文从偏置电路、噪声优化、线性增益及输入阻抗匹配等角度分析了电路的设计方法，借助 ADS 仿真软件的强大功能对晶体管进行建模仿真，在这个基础上对晶体管的稳定性进行了分析，结合 Smith 圆图，对输入输出阻抗匹配电路进行了仿真优化设计，设计了一个中心频率为2.45GHz、带宽为100MHz、输入输出驻波比小于1.5、噪声系数小于2dB和增益大于15dB的低噪声放大器。 关键词：微波；低噪声放大器；噪声系数；匹配电路；ADS仿真
ABSTRACT Rapid growth of wireless data communications Microwave communication system receiver, as the main part of the RF front-end receiver, the function of the low noise amplifier is amplifying the faint signal which incepted from air by the antenna. It can reduce the noise jamming, so as to demodulate right information for the system. The noise performance of the LNA will affect the performance of the whole system directly, and then deciding the sensitivity and dynamic working scope of the receiver. From the aspect of bias circuit, noise optimization, linear gain, impedance match, and the design methodology for LNA is analyzed, This article carries on the modelling simulation with the aid of the ADS simulation software's powerful function to the transistor, the analysis in this foundation to transistor's stability, the simulation optimization design. a radio frequency power amplifier is designed, which 1.5, Noise coefficient less than 2dB and Wattandgain 15dB. Key Words：microwave;low-noise amplifier; noise figure; matching circuit; ADS simulation
湖南理工学院 射频电路设计与仿真课程设计关于射频低噪声放大器的ADS设计 姓名：唐苗妙 班级：07电信二班 学院：信息与通信学院 指导老师：栗向军
目录 1. 低噪声放大器特点及指标 (3) 1.1. 工作频率与带宽 (3) 1.2. 噪声系数 (3) 1.3. 放大增益 (4) 1.4. 放大器的稳定性 (4) 1.5. 输入阻抗匹配 (5) 1.6. 端口驻波比和反射损耗 (5) 2.低噪声放大器设计仿真及优化 (5) 2.1 设计目标 (5) 2.2 仿真设计 (6) 2.3 电路容差分析 (13) 3. 结论 (15)
1. 低噪声放大器特点及指标 随着通信技术的飞速发展，人们对各种无线工具的要求越来越高，功率辐射小、作用距离小、覆盖范围大已成为各运营商乃至无线通信设备制造商的普遍要求，这对系统的灵敏度要求越来越高，系统接收灵敏度有下式给出： S=-174+NF+10log(BW)+S/N 式中NF为噪声系数，BW为系统带宽，S/N为输入信号信噪比。因此，在各种特定的无线通信系统中，能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF，而决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要。 低噪声放大器的主要指标包括：工作频率与带宽、噪声系数、放大增益、输入阻抗匹配、端口驻波比和反射损耗动态范围等等。 1.1.工作频率与带宽 放大器所能允许的工作频率与晶体管的特征频率fT 有关，由晶体管小信号模型可知，减小偏置电流的结果是晶体管的特征频率降低。在集成电路中，增大晶体管的面积使极间电容增加也降低了特性频率。 LNA 的带宽不仅是指功率增益满足平坦度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪声要满足要求，并给出各频点的噪声系数。 动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求更加严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。 1.2.噪声系数 在电路某一特定点上的信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，简称信噪比，用符号NF(或S/N)表示。放大器噪声系数是指放大器输入端信号噪声功率比SNRin 与输出端信号噪声功率比SNRout 得比值。即 NF=SNRin/SNRout 噪声系数的含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。放大器的噪声系数和信号源的阻抗有关，而与负载阻抗无关。当一个晶体管的源端所接的信号源的阻抗等于它所要求的最佳信号源阻抗时，由该晶体管构成的放大器的噪声系数最小。实际应用中放大器的噪声系数可以表示为
50M H z-250W射频功率放大器的设计
实例介绍设计与制作功放(二) 出处：何庆华发布日期：2007-8-2 浏览次数：2249 在上篇的文中,我用实例的方法基本地讲述了功放的一些参数计算与设定,其实这也可应用于音响系统中使用晶体管放大的电路中. 由于觉得使用实例会让初入门的朋友会有更深刻的认识,所以此篇也将用实例去介绍功放中各级的匹配传输.但要我一个可典型说明的例子让我想了不少时间,最终决定选用了之前制作的全无环路反馈的功放电路.由于没有使用级间的环路反馈,以致级间的匹配以及各级的电路但总显得十分重要. 见图,在后级的放大线路,是没有环路反馈的这将会电路的指标有所劣化.因电路工作于开环状态,这需要选用性能较好的电路组态,以取得更好的实际音质.而没有使用环路 负反馈,好处是大家所熟知的.如避免了各类的互相失 真,既然无环路反馈有如此.全音质更纯真透明.正如胆 友所追求的效果.但有点却要说明,胆与石,都是为了满 是个人的喜好.而在进口的众多名器中,可以有很多是超 过十万的晶体管后级.甚至有几十万过百万的钽却先见 有超过十万的胆机!而在低挡商品机中,如万元下的进口 器材,胆机却是可以优于石机,但中高挡机中.石机不再 受制于成本,全电路性能大幅提高.同价位的胆石机间胆 机已处于劣势,这从实际试听及一些前辈的言论中也得 到证实.而在DIY中由于没有过多的广告费用,可令成 本都能集中到机内,如电路合理工艺精良,性价比大优于 商品机. 再说回电路,之所以使用无反馈电路就是想用晶体管 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
去取得胆机那中清晰温暖的声音,在这里，使用共射共基电路是必然的，共射共基电路又叫渥尔曼电路，前管共射配合后管的共基放大，让两管中间严重失配，却大降低了前管的密勒电容效应，使前管的频响大改善，而后管是共基电路，天生是频响的高手。在放大能力上，基射共基电路与一般的单管共射电路是没有分别的，但频响却在高频上独领风骚，故而在许多的进口名器上不乏其影，用于本机却可大大改善了开环响应与高频线性。 电路的参数计算在上篇已介绍过，这里就不再罗索了，第一级的工作电流是5mA，增益是2K2与470欧的比值，增益约为15dB，注意的是两个33欧的电阻是配合了K170/J74的参数，如要换用其他的管子可能需要更改这两个电阻的数值。第二级的工作电流约为13mA，增益约为18dB，忽略了输出级的轻微损耗，整机增益在33dB 左右，可以直驳CD机了。 第一级电路与第二级电路在匹配上是没有问题的，但第二级与输出级却由于无反馈而有一定的要求了。若在此输出级使用一般常见的两级射极跟随器，输入阻抗一般只能达到15K欧，由于音箱的阻抗在全频段的不平均，将令第二级电压放大电路的负载（为输出级的输入阻抗）变得不平均稳定。这将导致此级在全频带的放大量不一致，而本机又没有使用环路负反馈来纠正增益。 要解决这一问题有两种方法，一个是输出级用场效应管作推动，使输入阻抗阻抗在理论上达百万M欧，，在实际的应用中可在50K欧，但使用场效应管往往需要有120mA如此大的静态电流，否则音色显得干硬，而如此大的功耗而使功放级的偏置难于补偿。另一种方法是使用近年来许多进口高档机采用的三级双极型三极管组成的输出级电路，本机就采用这种电路，使实际的输入阻抗在50K以上，且不易受音箱负载的影响，但50K的负载对于第二级放大电路来说是太高的，为免增益太高，在第二级放大电路的集电极上各并上了一个10K的电阻，从而令本级达到了预期的增益，且使本级负载的更为稳定，频响更平坦。 输出管使用三对5200/1943并联，以降低输出阻抗，由于无负反馈，这级往往需要较大的静态电流来克服失真与改善音色。另外，直流化电路也是国外高档功放的基本电路形式，本机也不例外，使用直流放大电路可以杜绝耦合电容的音染，获得更好的音色效果，至此后级功放的电路已告完成。 在此有必要提及一下的是音量电位器与后级电路的匹配.在沙的国内DIY的朋友中,多有喜欢在后级的输入端加个音量电位器控制音量就算了,就算是有前级放大的,电位器多是放于前后级之间,这样做本是没有问题的,但如今的电路多数会在后级的输入端加有低通滤波网络,这时就会产生问题了。 电位器的输出阻抗相对较大，而后级的输入低通滤波的截止频率大多是忽略前面的输出阻抗而计算的，而音量电位器的输出阻抗是无法估计的，因其在不同的刻度位置时会有不同的输出阻抗，这样一来，所设计的理想截止频率却变得不理想，截止频率下移了，限制了高频的延伸，为此我在电位器与后级间加入了一级的缓冲电器，以将电位器与后级的直接关联切断，在实际的听感中，会觉得有此电路后高频的延伸力增强，分析力提高，声音却更顺耳，当然这也会与增加了一级的电路有关。而事实上这个缓冲电路也可以说是一个前级。 后级的电压放大级单独用上一组并联稳压电源，本机的缓冲级与音调电路使用另一组关联稳压，音调的切换使用一个OMRON的高品质继电器，以求减低故障率。 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除