【正文】 信發(fā)展中具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。 本篇論文將先介紹 CMOS 低噪聲放大器的原理以及相對應(yīng)的性能指標(biāo)，然后分析低噪聲放大器所采用的基本電路結(jié)構(gòu)，并對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，之后用 ADS軟件進(jìn)行電路圖的仿真，再對仿真結(jié)果進(jìn)行分析及優(yōu)化調(diào)諧。 第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 2 第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 基本概念 放大器按總的分類，可以分為低噪聲放大器、中功率放大器、高增益放大器、大功率放大器。按工作 點(diǎn)的位置態(tài)分類電路組態(tài)可分別分為 A 類、 B類和 C類三種。用于小信號、低噪聲的放大器是 A類放大器，一般情況下是用來做接收機(jī)前端的放大器或者功率放大器的前級放大的場合。放大器電源效率高的是 B類和 C 類，它們的輸出信號諧波成分高，通常情況下需要有濾波電路或者外部混合電路。 也 可以 從 B類和 C類放大器衍生出 D類、 E類和 F 類等等的放大器。為了獲得更加理想的輸出功率，這時(shí)候就要使用功率合成器，將一大部分的功放單元組合起來。當(dāng)然，合成的效率不可能達(dá)到 100%。 現(xiàn)在，無線通信技術(shù)正在高速的發(fā)展，我們對各個(gè)領(lǐng)域的無線通信應(yīng)用要求也 越來越高，我們希望的是功率輻射越小，覆蓋范圍越大、作用距離能夠更遠(yuǎn)等等的需求已經(jīng)成為各無線通訊設(shè)備制造商或者各大運(yùn)營商的青睞。因此，這樣就對我們的系統(tǒng)接收靈敏度提出了更加高的要求，下面給出的是系統(tǒng)接收靈敏度的公式 (11)： S=174+NF+10lg(BW)+S/N (11) 公式中，其中 NF 表示的是噪聲系數(shù)， BW 表示的是系統(tǒng)帶寬， S/N 表示的是輸入信號噪聲比。由上可知，無線通信系統(tǒng)中各種特定（帶寬、解調(diào) S/N 是固定 ）情況下，降低接收機(jī)的噪聲系數(shù) NF 是在設(shè)計(jì)中有效提升低噪聲放大器的關(guān)鍵因素，而處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器是決定著接收機(jī)的噪聲系數(shù)的核心部件。低噪聲放大器 其主要作用是放大 接收機(jī) 天線從 外界 接收到的微弱信號，減少噪聲 對真正有用信號 的 影響 ，以供系統(tǒng)解調(diào)出 真正為我們所 需要的信息數(shù)據(jù)，即將來自天線的弱信號在傳輸較低噪聲的情況下進(jìn)行放大。 下面給出的是一個(gè)射頻接收機(jī)的例子，可以讓我們簡單的初步認(rèn)識和了解低噪聲放大器在其中的應(yīng)用。如下圖（ 11）所示，它是從各種復(fù)雜的電波中選出有用信號，這時(shí)低噪聲放大器放大信號 放大到解調(diào)器所要求的電平值后需再經(jīng)過解調(diào)器的解調(diào)，將頻帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘枴? 圖 11 接收機(jī)的組成框圖 低噪聲放大器性能參數(shù)的介紹 低噪聲放大器（ Low Noise Amplifier， LNA）作為首級增益級電路，就注定要滿足第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 3 多個(gè)性能指標(biāo)，這是設(shè)計(jì)低噪聲放大器的過程中需要面對克服的難題。而我們在低噪聲放大器設(shè)計(jì)的前提是要滿足低噪聲放大器設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，它也是我們判斷所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器性能好壞的終極標(biāo)準(zhǔn)。這里需要注意的是，全部的所 有提及的指標(biāo)很多都是相互制約，相互影響的。對于集成電路來講，性能指標(biāo)不僅僅是取決于本身的電路結(jié)構(gòu)，還取決于所采用的工藝技術(shù)，還有重要的注意事項(xiàng)是在設(shè)計(jì)中如何的采用折衷理念及原則，以下將詳細(xì)的分析這些性能的指標(biāo)參數(shù)。 1 、 增益 天線接在低噪聲放大器的輸入端，這時(shí)從天線一側(cè)接收到的射頻信號通常情況下是很微弱的，一般只能在 100dB 到 70dB 之間，而混頻器作為低噪聲放大器的后續(xù)電路，它是無法處理這樣微弱的信號的，因此這時(shí)候就要考慮增益的性能要求。低噪聲放大器的增益值 的 要求是要適當(dāng)?shù)?，即恰巧?合要求，因?yàn)槿绻鲆孢^大會使下級的混頻器的輸入大的異常，產(chǎn)生非線性失真的情況，但是它又不 能過于小，否則無法抑制后面各級的噪聲對整個(gè)系統(tǒng)的影響。一般情況下對于射頻放大器來說有兩種標(biāo)準(zhǔn)可以影響到增益表現(xiàn)，一種是輸入輸出與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的匹配程度，一種是射頻晶體管本身。而放大器的散射參數(shù)是決定著它的特點(diǎn)。把放大器視為一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)的窗口， 11s 和 22s 表示的是輸入和輸 出端的放射參數(shù)。 21s 和 12s 表示的是正向傳輸系數(shù)和反向傳輸系數(shù)的低噪聲放大器。圖（ 12）表示的是常規(guī)放大器的系統(tǒng)框圖，從這個(gè)框圖可以得出，經(jīng)過輸入匹配網(wǎng)絡(luò)還有射頻源阻抗匹配的是放大器的輸入阻抗，經(jīng)過輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載相匹配的是輸出阻抗。如下所表示二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出放射系數(shù) in? 和 out? ： LLin SSSS ?? ???? 22211211 1 （ 12） SSout SSSS ?? ????11211222 1 （ 13） 其中： 00ZZ ZZsss ???? （ 14） 00ZZ ZZLLL ???? （ 15） 其中， 0Z 表示的是特征阻抗， S? 表示的是電源的反射系數(shù)， L? 表示的是負(fù)載的反射系數(shù)。如圖（ 12）所示，在只有當(dāng)輸入輸出均都滿足共軛匹配的時(shí)候，即 in? = *S? 同時(shí)out? = *L? 時(shí)，這時(shí)候放大器可以表現(xiàn)出最大的傳輸功率，但是對于這樣的二端口網(wǎng)絡(luò)的放大器還要兼顧到輸入和輸出的共軛匹配是比較難的難題。 總之，增益是放大器的基本指標(biāo)?，F(xiàn)在，我們再來看影響放大器增益的因素 。 首先，管子的跨導(dǎo)可以影響到放大器的增益，而工作點(diǎn)的電流決定著跨導(dǎo)的大小。其次，負(fù)載還與放大器的增益有關(guān)系。某些應(yīng)用中要求低噪聲放大器的增益是可以控制的 ]2[ 。這里有三種電路設(shè)計(jì)控制增益的方法 ：改變 LNA 的負(fù)反饋值 、工作點(diǎn)電流、諧振回路中的 Q值等等，以上所述的共同點(diǎn)均是經(jīng)過改變載波電平檢測電路來實(shí)現(xiàn)自動增益控制電壓。 第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 4 圖 12 常規(guī)放大器系統(tǒng)框圖 工作頻率 MOS 管的特征頻率 Tf 能夠影響到放大器允許的工作頻率，要想使管子的特征頻率降低就需要減小偏置電流。而在集成射頻電路中如果增大管子的 S（面積）能夠使極間電容 C增大，此時(shí)可以使特 征頻率降低。 噪聲系數(shù) 噪聲可以降低了通信系統(tǒng)的靈敏度，進(jìn)而制約了通信系統(tǒng)的整體性能。通常，噪聲的定義是除了可用信號之外的任何其他信號。我們通常所說的噪聲系數(shù)是一個(gè)系統(tǒng)噪聲性能比較常用到的衡量指標(biāo)，噪聲系數(shù)的定義是網(wǎng)絡(luò)的輸入端的信號噪聲比（ SNR）與網(wǎng)絡(luò)的輸出端口的信號噪聲比 (SNR)之間的比值，也表示著信號 signal 經(jīng)過放大器之后它的信號質(zhì)量的變壞程度是如何的。還可以表示定義為如下式（ 16）： 輸出功率輸入噪聲源引起的噪聲 總的噪聲輸出功率?F （ 16） 噪聲系數(shù)可以理解為對一個(gè)系統(tǒng)所引起的信噪比 SNR 下降程度的一種度量。如果這下降程度越大，則噪聲系數(shù)是越大的，假如一個(gè)系統(tǒng)沒有任何其他的噪聲源的加入，此時(shí)總的輸出噪聲就完全由噪聲源來決定，那么噪聲系數(shù)由上式公式（ 16）可知就為1. 級聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)情況下，如果元件越靠前，它對整個(gè)噪聲系數(shù)的影響是越大的。所以一般在接收前端，肯定是要做低噪聲設(shè)計(jì)。而由一些列的公式推導(dǎo) ]3[ ，可以得出，想要得到最小的噪聲系數(shù)，源阻抗是一定要滿足的特定條件，換種說法也可以說成輸入的阻抗一定要進(jìn)行特定的匹配；另外，通常為了實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸，輸入輸出阻抗都要有 50?的阻抗匹配的。因此，要從晶體管的噪聲模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行考慮，才能在實(shí)際的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)同時(shí)要做到最佳噪聲匹配與阻抗匹配。具體的，在參考文獻(xiàn) ]4[ 中也提到，靜態(tài)工作點(diǎn)的電流時(shí)能夠影響到放大器的噪聲系數(shù)的，通常在電路中都存在一個(gè)最佳的工作電流使 NF 得值得到最小。 功耗 低噪聲放大器就是一個(gè)小信號放大器，要有一個(gè)靜態(tài)偏置。而采用低電源的電壓和低偏置的電流，是降低功耗的根本方法。這時(shí)也會出現(xiàn)的情況是引起 MOS 管的跨導(dǎo)變小，繼而引起 MOS管和放大器的所有相關(guān)指標(biāo)發(fā)生變化。 輸入輸出阻抗匹配 低噪聲放大器是必須要能夠和它的信號源匹配的。有兩種方式與信號源匹配：一種是共軛匹配，目的是滿足最后得到最大的功率與最小的反射損耗。第二種是噪聲 匹配，目的是可以得到最小的噪聲系數(shù)。當(dāng)今，節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)深入人心，低功耗的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為趨勢，所以被采用最多的方法是第一種共軛匹配方法，這種方法的好處是能夠避開阻抗不匹配而導(dǎo)致的 LNA 反射天線中的能量造成損耗。這樣在電路的設(shè)計(jì)中，第 1 章 低噪聲放大器的基本原理以及性能參數(shù) 5 通常都盡量實(shí)現(xiàn)兩種匹配能更接近，而且在實(shí)現(xiàn)最大傳輸功率 50? 匹配的情形下，能夠?qū)⒃肼曄禂?shù)降到最低。匹配網(wǎng)絡(luò)采用的是兩種網(wǎng)絡(luò)，一種是電抗網(wǎng)絡(luò)，一種是純電阻網(wǎng)絡(luò)。第一種采用無損耗的電抗匹配網(wǎng)絡(luò)下是不 會帶來更多的噪聲，可是只適合窄帶的放大情況。第二種是適合于寬帶放大的情況下，可是電阻本身會消耗功耗，同時(shí)也會增加噪聲。由下圖 13 所示的是低噪聲放大器的匹配方式，這里大致將它分為四種形式和它們的組合。 （ a） 并聯(lián)電阻式 （ b）共柵式 （ c）串并聯(lián)反饋式 （ d）電感源極負(fù)反饋式 圖 13 低噪聲放大器的 4種匹配方式 這里只對圖（ a）圖（ b）圖（ c）做簡單的結(jié)論分析，圖（ a） 里， MOS 管采用的是共源的結(jié)構(gòu)，這樣輸入阻抗會很大，想要獲得匹配的話只需并聯(lián)所需要的電阻。而因?yàn)殡娮璧臒嵩?聲缺陷，增加了 LNA 的噪聲，同時(shí)會在 signal 到達(dá) MOS 管前就會衰減很多。 綜上所述， 并聯(lián)電阻式能夠使電路產(chǎn)生一個(gè)不可接受的噪聲系數(shù) 。 圖（ b）共柵式的缺點(diǎn)