低噪放声放大器设计.pptx

5.3 低噪声放大器设计低噪声放大器设计采用晶体管的采用晶体管的等效电路模型等效电路模型设计、分析低噪声放大器设计、分析低噪声放大器电路电路组成组成：晶体管、偏置、输入匹配和负载四大部分：晶体管、偏置、输入匹配和负载四大部分 典型电路典型电路Q晶体管晶体管 Q偏置电阻偏置电阻 、输入匹配输入匹配网络网络负载负载：选频回路：选频回路交流旁路交流旁路电容电容 、负载电阻负载电阻晶体管、负载部分接入晶体管、负载部分接入分析电路步骤分析电路步骤（2）画出放大器的交流通路图画出放大器的交流通路图（3）代入晶体管的小信号等效电路及参数，代入晶体管的小信号等效电路及参数，计算放大器的各项指标计算放大器的各项指标（1）分析直流偏置，决定直流工作点，得出对应工作点的参数分析直流偏置，决定直流工作点，得出对应工作点的参数画画交流通路图交流通路图的原则：的原则：直流电源是直流电源是交流地交流地 大电容（交流旁路电容）大电容（交流旁路电容）短路短路 大电感（扼流圈大电感（扼流圈)开路开路 仅做偏置用的直流电阻仅做偏置用的直流电阻可不画可不画Q完整电路完整电路 画交流图画交流图电源是交流地电源是交流地去掉偏置去掉偏置大电容短路大电容短路代入晶体管代入晶体管 等效电路等效电路设晶体管设晶体管为单向传输为单向传输计算增益（单向传输）计算增益（单向传输）对对线圈部分接入线圈部分接入 进行折合进行折合电流源电流源 和和 接入系数接入系数负载负载接入系数接入系数回路谐振回路谐振，低噪放工作频率为，低噪放工作频率为设设LC回路的空载回路的空载Q为为Q0回路回路谐振阻抗谐振阻抗（其中（其中 ）选择回路电抗元件：选择回路电抗元件：回路谐振阻抗回路谐振阻抗 输出电压输出电压 电压增益电压增益 低噪放回路带宽低噪放回路带宽其中其中()增加稳定性增加稳定性抵消极间电容抵消极间电容 的影响的影响添加添加中和电容中和电容注意反馈的注意反馈的极性极性极间电容极间电容的反馈通路的反馈通路中和电容中和电容的反馈通路的反馈通路例例5.3.1 5.3.1 1GHZ CMOS 低噪声放大器低噪声放大器 1.电路结构：电路结构：场效应管场效应管M1和和 M2、共栅组态共栅组态接成双端输入双端输出接成双端输入双端输出差动放大器差动放大器 输入输入端采用电感端采用电感 和和 组成组成匹配匹配网络网络 输出输出端采用端采用LC回路回路选频选频 电感电感 （）下级输入电容）下级输入电容CO M3 交流短路（作用见后分析）交流短路（作用见后分析）COCO偏置偏置为为 （偏置电路（偏置电路省略省略），），电感电感 和和 同时提供了各管子同时提供了各管子直流通路直流通路 电路分析电路分析画画交流通路图交流通路图(以以M1为例）为例）共栅共栅、栅源栅源电容电容漏极漏极电容电容 （包括栅漏电容（包括栅漏电容 ）杂散杂散及分布电容及分布电容 CP 杂散杂散电容电容 （包括下级混频器的包括下级混频器的输入输入电容电容）（1）输入匹配网络）输入匹配网络外接电感线圈外接电感线圈 L L1 1 栅源电容栅源电容杂散及分布电容杂散及分布电容 CP并联回路并联回路谐振频率谐振频率工作频率工作频率1GHz回路回路谐振阻抗谐振阻抗共栅极输入阻抗共栅极输入阻抗为为调节匹配方法：调节匹配方法：调节调节 M1和和M2 的的偏置电压偏置电压VG 改变改变 M1 M2 的的跨导跨导 gm，使使 =，完成与源阻抗匹配完成与源阻抗匹配。（2 2）输出回路）输出回路电感电感线圈线圈L3漏极漏极电容电容杂散杂散电容电容（包括（包括下级输入下级输入电容）电容）并联并联谐振回路，谐振回路，谐振于工作频率。谐振于工作频率。已知管子电容已知管子电容 和和 ，得：，得：代入代入MOS管管共栅共栅等效电路等效电路2.性能指标性能指标(1)增益增益增益增益管子管子跨导跨导负载负载回路谐振阻抗回路谐振阻抗设线圈设线圈L3 的的串联损耗电阻串联损耗电阻是是 r 单管增益单管增益：比值比值 取决于电感的制作方式取决于电感的制作方式 外接电感外接电感芯片内集成电感芯片内集成电感放大器放大器总增益总增益总输出总输出总输入总输入差分放大器总增益与单管相同差分放大器总增益与单管相同（2）带宽带宽 当两个回路当两个回路Q值相同时值相同时电路特点：电路特点：输入输入输出输出并联回路并联回路选频选频阻抗变换阻抗变换带宽？带宽？由两个回路共同决定由两个回路共同决定设每个回路带宽为设每个回路带宽为BW1称称 为缩减因子。为缩减因子。当两回路当两回路 Q相差很大时相差很大时带宽取决于带宽取决于 高高Q回路回路输出回路输出回路Q值高值高（3）放大器噪声）放大器噪声放大器放大器噪声源噪声源所以等效输入噪声源所以等效输入噪声源放大器放大器噪声系数噪声系数 F=1+电路变形，将噪声源分裂成两个电路变形，将噪声源分裂成两个输出端输出端 折合到输入端：折合到输入端：（4）线性）线性差动输入差动输入方式方式输入信号动态范围大于单管输入信号动态范围大于单管差动输出差动输出方式方式输出电流是输出电流是M1和和M2的输出的输出电流之差电流之差抵消抵消非线性失真的非线性失真的偶次谐波偶次谐波扩大了线性范围扩大了线性范围共栅组态共栅组态Cgd 没有反馈没有反馈Cgd 包含在包含在Cd 中中（6）输出电平调节）输出电平调节目的目的：与后级直流一致：与后级直流一致M3工作在工作在可变电阻可变电阻区区调节调节M3 的的栅极偏压栅极偏压VC改变了改变了M3等效电阻等效电阻改变了输出直流电平改变了输出直流电平（5）隔离）隔离增强稳定性增强稳定性不稳定原因不稳定原因极间电容极间电容Cgd 例例5.3.25.3.2 1.9 GHz CMOS 低噪声放大器低噪声放大器 电路特点电路特点负载负载用用 与下级输入电容组成与下级输入电容组成并联回路并联回路 有源偏置有源偏置 对称双端输入对称双端输入双端输出双端输出差分差分形式形式 共源共栅共源共栅级连电路级连电路 输入回路输入回路串联电感串联电感源极源极电感负反馈电感负反馈 VDD电阻电阻 阻止阻止M3 的噪声进入的噪声进入 M1M3与与M1组成组成镜象电流源镜象电流源（1 1）偏置电路）偏置电路电路分析电路分析M3的的电流电流电阻电阻M3的偏压的偏压电源电压电源电压VDD代入场效应管代入场效应管等效电路的输入级等效电路的输入级（2）输入阻抗匹配）输入阻抗匹配输入电路输入电路输入回路方程输入回路方程输入阻抗输入阻抗为与源阻抗匹配为与源阻抗匹配调谐输入回路调谐输入回路串联谐振串联谐振于工作频率于工作频率调节调节与源阻抗与源阻抗共轭匹配共轭匹配Qin为输入回路的有载为输入回路的有载Q（3 3）噪声）噪声仅考虑由场效应管仅考虑由场效应管M1的沟道电阻噪声的沟道电阻噪声（5）线性）线性双端输入和输出差分对结构双端输入和输出差分对结构 源极采用电感源极采用电感L L2 2负反馈阻抗负反馈阻抗 扩大线性范围扩大线性范围（6）隔离）隔离共源共栅接连组态共源共栅接连组态失配法，提供了最佳的输出输入间失配法，提供了最佳的输出输入间的隔离度，的隔离度，减少了极间电容减少了极间电容 影响影响（4）增益）增益共源共栅级连、负载共源共栅级连、负载LC回路回路M1M2L3C 参数参数 数值数值 增益增益 20.7dB 噪声系数噪声系数 2.4 dB 输入阻抗（输入阻抗（）-27 dB （在（在1.894GHz）-2 dBm镜频抑制（在镜频抑制（在1.5GHz）-10.6 dB 功耗功耗 19.8mW 电源电源 3.3V低噪放的性能模拟结果低噪放的性能模拟结果实际产品举例实际产品举例MAX2640低功耗、超低噪声集成放大器低功耗、超低噪声集成放大器 工作频率范围：工作频率范围：400 1500MHz，增益增益15.1dB增益随温度变化增益随温度变化0.6 dB噪声系数噪声系数0.9 dB输入回波损耗输入回波损耗-11 dB输出回波损耗输出回波损耗-14 dB反向隔离反向隔离40 dB输入输入1dB1dB增益压缩点增益压缩点-22 dBm输入三阶截点输入三阶截点-10 dBm测试条件：测试条件：电源电压电源电压输入射频功率输入射频功率温度温度 阻抗阻抗小信号线性指标小信号线性指标MAX2640 S参数参数频率频率 模模相角相角 模模相角相角 模模相角相角 模模相角相角4000.907-35.14.62109.10.00113.50.302108.48000.810-64.94.8529.10.00464.20.38456.812000.735-88.04.48-53.40.013-10.60.45510.715000.688-104.3.81-117.0.024-59.80.489-20.2(只列举只列举4 4个频率点个频率点，MHz)利用利用S参数设计放大器外围元件参数设计放大器外围元件