低噪音放大器具有哪些设计方法？

本文主要重点讲解低噪声放大器的定义、主要特点、性能指标、基本设计步骤和常见的低噪放电路配置。

我司是一家无线通信集成电路科技公司、在射频和微波集成电路及多芯片组件的设计、制造处于行业领先地位。在中国多个区域建有标准产品线、制造和销售1000多个产品型号。包括业界最小尺寸的真对数放大器(5mmX5mm)、低噪声放大器(LNA、NF=0.20dB)、压控振荡器(VCO)、开关(SWITCH)、低插损滤波器(Low Loss filter)、电源控制(DC-control) ，高线性功率放大器(H-LPA)，上电时序控制电路(Power timing sequence control circuit)和子系统。同时承接先进系统封装(SiP系统级封装)定制解决方案，为高端设备制造商提供核心竞争力的高性能、高质量产品。

一、低噪声放大器定义

低噪声放大器(简称LNA)是射频接收机前端的主要部分，要求具有最小的噪声系数、较大的增益、足够的动态范围、输入端良好匹配和一定的频带选择等性能。

低噪声放大器通常在通信射频前端的位置，例如在单次变频超外差式接收机里

由于天线接收输入信号通常很小,需要对其进行放大，但为了尽可能地少的引入噪声，故采用低噪声放大器对天线接收的微弱信号进行放大。

二、低噪声放大器的主要特点

(1) LNA靠近接收机的最前端，要求它的噪声系数越小越好。

(2) LNA所接受的信号是很微弱的，故它是一个信号线性放大器。

(3) 低噪声放大器的输入端必须与前接的天线滤波器或天线匹配。

(4) 低噪声放大器应具有一定的选频能力，因此它一般是频带放大器。

三、低噪声放大器的主要指标

低噪声放大器的主要指标

(1) 噪声系数(F)

取决于系统要求，可以从1dB以下到几个dB，噪声系数与放大器的工作频率、静态工作点及工艺有关，是低噪声放大器最为关键的指标。

(2)增益(S21)

较大的增益有助于减小低噪声放大器后级电路噪声对接收机的影响，但增 益过大将会引起线性度的恶化。因此，低噪声放大器的增益应适中，一般在25dB以下。

(3) 输入输出匹配(S11, S22)

输入输出匹配决定输入输出端的射频滤波器的频响

(4)反向隔离(S12)

反映输出端与输入端的隔离度，隔离度越大越好。

(5)线性度、线性范围

衡量指标：三阶互调截点IIP3、增益1dB压缩点，

线性范围和器件有关，场效应管由于是平方率特性，因此它的线性要比双极型好。

线性范围和电路结构有关。

输入端的阻抗匹配网络也会影响LNA的线性范围。

(6)隔离度和稳定性

增大低噪声放大器的反向隔离可以减少本振信号从混频器向天线泄露程度，以增强放大器的稳定性。通常采用中和电容法及晶体管共射共基(或共源共栅)结构提高稳定性。

低噪声放大器是电子电路中的重要组成部分，其设计方法直接影响整个电路的性能和稳定性。本文将介绍低噪声放大器的基础原理、设计方法和优化技巧，帮助读者更好地理解和应用低噪声放大器。

一、低噪声放大器的基础原理

低噪声放大器是一种能够在信号放大的同时尽量减小噪声的放大器。其基础原理是在放大信号的同时，将噪声最小化。噪声可以从放大器的输入端、输出端以及放大器内部各个部分产生。因此，低噪声放大器的设计需要考虑以下几个方面：

1. 选择合适的放大器结构：低噪声放大器常采用共源极放大器、共基极放大器和共射极放大器等结构。这些结构的选择应根据具体的应用场景和信号特性来确定。

2. 优化放大器的增益和带宽：增益和带宽是低噪声放大器的两个重要指标。增益越大，放大器的信噪比越高;带宽越宽，放大器的频率响应越好。因此，在设计低噪声放大器时，需要在增益和带宽之间做出权衡。

3. 降低噪声系数：噪声系数是低噪声放大器的另一个重要指标。噪声系数越小，放大器的噪声就越小。降低噪声系数的方法包括选择合适的放大器管件、优化输入和输出匹配电路、降低放大器内部噪声等。

二、低噪声放大器的设计方法

1. 选择合适的放大器管件

选择合适的放大器管件是低噪声放大器设计的第一步。常用的放大器管件有双极型晶体管、场效应管和双极型集成电路等。在选择放大器管件时，需要考虑其噪声系数、增益、带宽等指标，并根据具体的应用场景和信号特性来确定。

2. 优化输入和输出匹配电路

输入和输出匹配电路是低噪声放大器中的关键部分，它们决定了放大器的噪声系数和带宽。在设计输入和输出匹配电路时，需要根据放大器管件的参数来确定匹配电路的参数，以达到最佳的匹配效果。

3. 降低放大器内部噪声

放大器内部噪声是低噪声放大器中的另一个重要问题。降低放大器内部噪声的方法包括降低放大器管件的噪声系数、优化放大器的布局和电路结构、降低放大器的工作温度等。

4. 优化放大器的增益和带宽

增益和带宽是低噪声放大器的两个重要指标。在设计低噪声放大器时，需要在增益和带宽之间做出权衡。增益和带宽的优化方法包括选择合适的放大器管件、优化输入和输出匹配电路、优化放大器的布局和电路结构等。

三、低噪声放大器的优化技巧

1. 选择合适的电源噪声滤波器

电源噪声是低噪声放大器中的一个重要干扰源。为了降低电源噪声对放大器的影响，可以选择合适的电源噪声滤波器，将电源噪声滤除。

2. 采用低噪声电阻器

电阻器是电路中常见的元件，但是它们也会产生噪声。为了降低电阻器的噪声，可以采用低噪声电阻器，如金属膜电阻器、金属氧化物薄膜电阻器等。

3. 优化放大器的布局和电路结构

放大器的布局和电路结构对其性能和稳定性有着重要的影响。优化放大器的布局和电路结构可以降低放大器的噪声系数、提高增益和带宽。

4. 保持放大器的稳定性

放大器的稳定性是低噪声放大器设计中的一个重要问题。为了保持放大器的稳定性，可以采用负反馈电路、加入稳定电路等方法。

低噪声放大器的两种设计方法

刘丰华

摘要： 低噪声放大器是射频收发机的一个重要组成部分，也是射频电路设计中的难点。在此先对晶体管ATF-54143做了定性分析，根据定性分析以及实际需求，阐述了射频低噪声放大器设计与仿真的两种方法。一种是以最佳噪声系数为目标的设计方法;另一种是以噪声系数为主兼顾增益目标的设计方法。该方法详尽且数据准确真实，其仿真结果均符合预定的设计要求。

关键词：放大器射频收发机噪声Abstract：

Key words :

低噪声放大器(LNA)是射频收发机的一个重要组成部分，它能有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机的传输距离。因此低噪声放大器的设计是否良好，关系到整个通信系统的通信质量。本文以晶体管ATF-54143为例，说明两种不同低噪声放大器的设计方法，其频率范围为2～2.2 GHz;晶体管工作电压为3 V;工作电流为40 mA;输入输出阻抗为50 Ω。

1 定性分析

1.1 晶体管的建模

通过网络可以查阅晶体管生产厂商的相关资料，可以下载厂商提供的该款晶体管模型，也可以根据实际需要下载该管的S2P文件。本例采用直接将该管的S2P文件导入到软件中，利用S参数为模型设计电路。如果是第一次导入，则可以利用模块S-Params进行S参数仿真，观察得到的S参数与S2P文件提供的数据是否相同，同时，测量晶体管的输入阻抗与对应的最小噪声系数，以及判断晶体管的稳定性等，为下一步骤做好准备。

1.2 晶体管的稳定性

对电路完成S参数仿真后，可以得到输入/输出端的mu在频率2～2.2 GHz之间均小于1，根据射频相关理论，晶体管是不稳定的。通过在输出端并联一个10 Ω和5 pF的电容，m2和m3的值均大于1，如图1，图2所示。晶体管实现了在带宽内条件稳定，并且测得在2.1 GHz时的输入阻抗为16.827-j16.041。同时发现，由于在输出端加入了电阻，使得Fmin由0.48增大到0.573，Γopt为0.329∠125.99°，Zopt=(30.007+j17.754)Ω。其中，Γopt是最佳信源反射系数。

1.3 制定方案

如图3所示，将可用增益圆族与噪声系数圆族画在同一个Γs平面上。通过分析可知，如果可用增益圆通过最佳噪声系数所在点的位置，并根据该点来进行输入端电路匹配的话，此时对于LNA而言，噪声系数是最小的，但是其增益并没有达到最佳放大。因此它是通过牺牲可用增益来换取的。在这种情况下，该晶体管增益可以达到14 dB左右，Fmin大约为0.48，如图3所示。

另一种方案是在可用增益和噪声系数之间取得平衡，以尽可能用小噪声匹配为目标，采用在兼顾增益前提下的设计方案。在这种情况下该晶体管增益大约为15 dB左右，Fmin大约为0.7(见图3)。这个就是本文中提到的第2种方案。

2 以最佳噪声系数为设计目标方案的仿真

2.1 输入匹配电路设计

对于低噪声放大器，为了获得最小的噪声系数，Γs有个最佳Γopt系数值，此时LNA达到最小噪声系数，即达到最佳噪声匹配状态。当匹配状态偏离最佳位置时，LNA的噪声系数将增大。前面定性分析中已经获得Γopt=0.329∠125.99°，以及对应的Zopt=30.007+j17.754 Ω。下面可以利用ADS的Passive Circuit/Micorstrip ControlWindow这个工具，自动生成输入端口的匹配电路。