东南大学射频集成电路设计基础：低噪声放大器解析

"东南大学射频与光电集成电路研究所的陈志恒教授于2002年11月17日编写的《射频集成电路设计基础》讲义，内容涵盖低噪声放大器（LNA）的设计，包括LNA的功能与指标、二端口网络的噪声系数、双极型LNA和MOS LNA的分析，以及非准静态模型和栅极感应噪声、CMOS的最小噪声系数和最佳噪声匹配等主题。" 在射频接收系统中，低噪声放大器（LNA）扮演着至关重要的角色，它是接收链路的第一级有源电路。LNA的主要功能是提高弱信号的功率，同时尽可能地减少噪声引入，以保证整个接收机的灵敏度和信噪比。LNA的关键性能指标包括： 1. 噪声系数（NF）：衡量LNA引入系统的额外噪声程度。理想的LNA应具有尽可能低的噪声系数，通常要求在1dB以下，但实际应用中可能根据系统需求在几个dB范围内变化。 2. 增益（S21）：表示LNA对输入信号的放大能力。较高的增益有助于减少后级电路的噪声影响，但过大的增益可能导致非线性失真增加。 3. 输入输出匹配（S11, S22）：确保输入和输出信号的有效传输，影响到射频滤波器的频率响应。理想的LNA应具有良好的输入阻抗匹配（S11接近0）和输出阻抗匹配（S22接近0）。 4. 反向隔离（S12）：防止输出信号反向泄漏至输入端，影响其他前端组件或产生自混频现象。 5. 线性度：衡量LNA在大信号条件下的失真，包括互调失真，这是评估LNA能否处理强干扰信号而不降低接收质量的重要指标。 在讨论二端口网络的噪声系数时，我们关注的是网络如何影响输入信号的噪声。噪声参数描述了网络内部噪声源的特性，这些参数可以通过网络的Y参数来计算。噪声系数（F）表示通过网络输入端的噪声功率与理想无噪声网络的噪声功率之比。晶体管的噪声参数（如Ycvn和Ycvn2）是计算噪声系数的关键，它们与温度、偏置条件以及晶体管本身的噪声特性相关。 对于双极型（Bipolar）和金属-氧化物半导体（MOS）LNA，需要考虑非准静态（NQS）模型，因为它考虑了栅极电荷在高速开关操作中的动态效应，以及栅极感应噪声的影响。CMOS LNA的设计特别关注最小噪声系数和最佳噪声匹配，以实现低噪声性能。 LNA设计涉及多方面的考虑，包括器件选择、噪声抑制、增益优化和线性度改善，这些都是确保射频接收系统高效运行的关键因素。