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摘要
低噪声放大器是无线通信射频接收电路中的第一个有源电路。主要功能是将来自天线的微伏级的电压信号进行小信号放大后传输到下一级电路。因此,低噪声放大器的特性对射频接收系统的性能起着决定作用。对低噪声放大器的设计要求一般需要满足以下几个,首先要求足够高的增益来抑制后级电路的噪声对射频接收系统的影响,其次低噪声放大器本身的噪声要低,这是实现整个系统低噪声的根本,第三要有高的线性度以便处理某些大信号,第四是与前后级电路实现阻抗匹配以减少信号的反射。噪声系数是低噪声放大器最重要的性能指标,本文主要研究低噪声放大器的噪声理论,其中包含了器件噪声和经典二端口的噪声理论,在经典二端口的噪声理论中又分别着重介绍了噪声因子和噪声系数及噪声温度。
关键词:低噪声放大器器件噪声噪声系数噪声温度
前言
低噪声放大器(LNA)是射频接收前端的至关重要的一部分。它的噪声特性对整个接收系统影响重大。另外从空间传输到天线的高频信号十分微弱,所以系统的灵敏度受到低噪声放大器自身噪声特性的限制,也就是射频系统能否正确的接收到的需要的信号将其放大并传输给下一级电路会受LNA噪声性能的影响。所以射频系统中LNA的主要性能指标要求如下:
增益。低噪声放大器作为放大器首先要能够提供足够的增益来放大从天线接收到的微弱信号。如果LNA的增益不够大则会对后面对信号的处理产生困难。但是,低噪声放大器的增益也不能过大,如果放大的信号超过了后续电路能够处理的线性范围就会使信号产生失真。低噪声放大器的增益范围一般在15至20dB左右。
噪声系数。低噪声放大器顾名思义需要低的噪声,噪声系数越低越好。在当今的射频系统中要求整机的噪声系数要低,在高性能的低噪声放大器一般要求噪声系数低于
,随着频率的升高噪声系数也将变大。另外低噪声放大器的噪声系数不可能达到无限小,因为器件本身存在的噪声限制了噪声的底限。
线性度。一般用PIdB和IIP3来描述电路的典型度,,说明电路的线性度越高,电路能够处理的信号越大,抵抗三次交调失真的能力越强。一般在设计低噪声放大器时对IIP3的要求为-10dBm.
功耗。当今无线通讯系统特别是便携式手持终端对低功耗的要求越来越高。
随着CMOS工艺的发展供电电压要求越来越低,而功耗取决于电源电压和电流的乘积。低功耗要求低的电流,而低的电流会产生高的噪声。在电路设计的时候需要折衷。在电路的其他性能得到保证的条件下,如果电路的功耗越低,供电电压越低,就能实现更好的噪声性能。
稳定性。作为放大器电路必须满足稳定性的要求。这样才不会是低噪声放大器电路产生震荡因而失去对信号的放大功能。
一般而言,噪声系数是低噪声放大器最重要的性能指标,增益次之,然后是电路的功耗和线性度。因此,在实现低功耗、高线性度和增益的同时,如何将低噪声放大器的噪声性能尽可能的提高,从而改善接收机灵敏度是电路设计的最大困难所在。
噪声理论
在实际的电路设计过程中不可避免的受到一些非理想因素的干扰,其中对电路的性能有很大影响的一个因素就是电路的噪声。噪声可以宽泛的定义成任何与有用信号无关的随机干扰,普遍存在于任何电路或者系统中,所以在电路设计时必须对其加以考虑。噪声性能的好坏是评价一个低噪声放大器性能的一个很重要的指标。
:器件的电子噪声和环境噪声。后者主要指电路受到的来自电源或者地线、衬底的随机干扰。本文主要研究的是器件的电子噪声,主要包括热噪声、闪烁噪声和散粒噪声。
热噪声
在导体中热激励的电荷载体构成了随机变化的电流,它引起了随机的电压这个电压被称为热噪声。热噪声正比于温度T,一个被称为“有效噪声功率”的量由下式给出:
P二kTAf
NA
式中,k为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,其单位为K;Af为测量范围中的噪声带宽,其单位为HZ。有效噪声功率指传递给负载的最大功率。传递最大功率的条件为:负载电阻等于电源内阻,可以用下图所示的电路来计算有效噪声功率。
R
图2-1计算一个电阻热噪声的电路
根据定义,由噪声电阻传递到阻值相同的另一个电阻的功率就是有效噪声功率其表达式为:
e2
P=kTAf=n-
NA4R
e2是给定温度下电阻r在带宽Af上所产生的开路均方根噪声电压。
n
闪烁噪声
闪烁噪声的特点是普密度随频率的降低而无限的增加。通过实验测试表明许多电子系统在低频下都表现出这样的特征。闪烁噪声在许多器件中都存在,如电阻,PN结,MOSFET。我们重点讨论MOSFET的闪烁噪声,许多悬挂键在MOS晶体管的硅衬底与栅氧化层的界面处形成,这些悬挂键导致额外的能态产生,如下图所示,当载流子运动这个交界面时会导致载流子被随机俘获,随后这些能态释放所以会在漏电流中形成“闪烁”的噪声电流。
图2-2氧化物与硅界面处的悬挂键我们无法预测闪烁噪声电流的大小,这一点与热噪声大不相同,根据栅氧化层-硅界面的“洁净度”,闪烁噪声的波动范围很大,并且因CMOS工艺的变化而变化。这个噪声可以用与栅极串联的一个电压源来表示,粗略的计算公式为:
K
V2=nCWLf
OX
K是一个与工艺相关的常量,数量级为10-,我们可以这么认为:闪烁噪声要想降低,器件的面积就必须增加,所以面积为几千平方微米的器件在低噪声系统的应该是非常常见的。由于工艺不同使得PMOS器件的闪烁噪声要低于NMOS器件的闪烁噪声。
散粒噪声散粒噪声由于电荷表现出离散束的特性所以当电子穿越不同的能力势垒时都会导致不连续的电流脉冲的产生,正是由于电荷束的随机性使得散粒噪声表现出全频带的特征,也就是我们常说的自噪声特性。散粒噪声取决于电子电荷、总的DC电流以及带宽。散粒噪声公式如下:
i2二2qIAf
n DC
式中匚是均方根噪声电流,q是电子电荷,*10-19C,IDC是DC电流。散粒噪声的幅值曲线同样服从高斯分布。
噪声问题。
衡量系统噪声性能最重要的一个指标就是噪声因子,用F表示。考虑由一个
导纳为Ys及等效的并联噪声电流is构成的噪声源驱动的线性的含噪声二端口网
络,如图所示:
图2-3噪声源驱动一个焊噪声的二端口网络
噪声因子定义为
总的噪声输出
F=——
输入噪声源引起的噪声输出功率
图2-4等效噪声模型
图2-4表示的是二端口网络的等效噪声模型,将所有的噪声在网络的输入
端等效表示出来,此时的网络是无噪声网络,假设噪声源跟二端口网络的等效噪声功率是不相关的,则噪声系数的表达式为
i2+i+Ye2
F=snSn_
i2
s
由i=i+i
ncu
i二Ye
ccn
得噪声因子为
i2+i+(Y+Y)eF=
n Sen
2—
i2+Y+Y2e2—=1+-n-
i2
■c
i2
将每一个独立的噪声源看成由一个等效电阻或电导产生的热噪
声
e2
n
i2
n
AkTAf
4kTAf
G-七
sAkTAf
则F可表示为
G+Y+YI2R
F=1H n C n
G
s
n
如果一个给定二端口网络的噪声特性用它的4个噪声参数(G、B、R、G)ccnu
来表示,那么我们就可以得到使噪声因子达到最小的一般条件:
B二一B=B
scopt
G=:f+G2=G
sRcopt
'n
最后得到最小的噪声因子:
^GF=1+2R[G+G]=1+2R[-n+G2+G]min noptc nR c c
n
因此在导纳平面中常数噪声因子的等值线是一些不相重叠的圆。最小噪声和最大功率传输往往不能同时成立,所以对于最优的噪声性能和最大的功率传输我们只能两者取其一,要么接受小于最优传输功率的增益,要么接受大于最优噪声的噪声。
,它是噪声因子用分贝表示的形
式:
NF=101og(F)
噪声温度是描述一个放大器噪声影响的另一种表示方法,用T表示。它定义
N
为引起参考温度T丿寸全部输出噪声所需的噪声源电阻的温度上升。它与噪声因
ref
子的关系如下所示:
F二1+U T二T*(F-1)
T Nref
ref
一个没有附加本身噪声的放大器具有的噪声温度为0K。加入任何一个噪声源是“白色”的,导致噪声功率不是频率的强函数,则可把它模型化为等效噪声源,并利用一个等效噪声温度来表征,用T表示。如果任意的白噪声源就有一个驱动e
点阻抗R,并且把噪声功率NO传送到负载电阻R上,该噪声源可用在温度T下数
e
值为R的由噪声电阻代替,其中T为等效噪声温度,它是根据使同样的噪声功率
e
传递到负载上来选择的,等效噪声温度T可以用下式来表示:
e
T=N
ekB
噪声系数是低噪声放大器至关重要的一部分,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。噪声系数的物理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。放大器的输入匹配电路应该按照噪声最佳来进行设计,设计输出匹配电路寸采用共轭匹配,以获得放大器较高的功率增益和较好的输出驻波比。
参考文献:
PietroAndreani,
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