低噪声前置放大器的设计毕业设计(编辑修改稿)

低噪声前置放大器的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

ign of a low noise ， preamplifier.． Design of the main amplifier circuit constituted in part by the two first being the use of FET differential amplifier posed of the input signal processing,including filtering noise，amplified signal， taking into account the protection of the circuit elements． The second level is formed by the three integrated chip instrumentation amplifier. Amplified by two，and ultimately weak signal amplification． In a detailed analysis of the circuit design based on the final design of a low noise preamplifier.． 1MHz bandwidth of the amplifier within the scope of the 1000 times of the weak signal amplification,while noise suppression of the design requirements． [Keywords] Differential amplifier； low noise ； operational amplifier 前言 第 1 页 共 19 页 低噪声前置放大器的设计 1 前言 课题意义 低噪声前置放大器是信号检测，接收系统中一个非常重要的部分，常用于接受系统的前端。 在放大有用信号的同时抑制噪声，提高系统灵敏度。 如果在接受系统的前端连接低噪声前置放大器，在放大器的增益满足系统的要求的情况下，那么整个接 ［１］ 受系统的噪声取决于放大器的噪声。 如果放大器的噪声系数降低，接 受机的噪声系数也会减小，信噪比得到改善，系统的灵敏度得到提高。 由此可见低噪声的前置放大器的性能制约着整个系统的性能，对于整个接受系统技术水平的提高，也起到决定性的作用。 据 Friis 公式可知，系统的总噪声系数取决于第一级的噪声系数或者损耗，所以前置放大器的噪声系数 ［２］ 对系统总的噪声系数影响最大。 故要求前置放大器必须具有噪声小、增益稳定、抗干扰能力强的特点。 随着微电子技术不断发展，在设计前置放大器电路的时候，选用低噪声的器件和芯片成为一种重要的趋势。 低噪声前置放大器的发展现状和趋势 低噪声宽频带噪 声放大器随着现在通讯频带总体上移，射频放大器将会是模拟的主流。 由系统天线馈入的无线信号，在处理之前必须进行放大。 低噪声放大器就是其中非常重要的部件。 随着光刻技术和器件工艺 [３ ]水平的不断提高，近十年来，硅工艺晶体管的工作频率已经能够达到数十 GHz以上。 另外，随着工艺水平的大幅提升， RF低噪声放大器在采用双极晶体管制作的基础上，还衍生了一种新形式，即用 MOSFET制作 低 噪声放大器。 以美国 Sirenza微波器件公司的产品为例。 其 LNA产品包含 10余个产品系列，各个产品 [４ ]系列采用不同的半导体工艺制作 (SiGe、 InGaP、 GaAs、 pHEMT等工艺 )和不同的晶体管形式 (BJT、 HBT或 FET)，但产品水平大致相当。 而 LSI公司日前推出 PA8800 前置放大器采用 LSI第二代硅锗 (SiGe)工艺制造成，不仅提 供，而且其功耗比面向同一市场领域的前代产品降低了近30%。 放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。 在工作频率和信低噪声前置放大器的设计 第 2 页 共 19 页 源内阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直流工作点有关。 为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极级联的低噪声放大电路。 前置放大器作为接受 设备中重要的一环正朝高速度，甚低噪声，高灵敏度，宽频带方向发展。 在比如东芝设计的一款低噪声放大器，采用共源 — 共栅结构。 这种放大器的品质因素是 31025W/Hz， 这比其他公司报道的放大器噪声差不多小了两个数量级。 美国宇航局的航天飞机上的通信接收机使用的是 S波段低噪声放大器，它的噪声系数低达 （包括开关与双工）。 还有很多很多这样的例子，这里就不再一一列举。 此外在低噪声前置放大器设计过程中，选用低噪声的器件和芯片也成为一种趋势。 随着集成电路技术设计 ［５］ 的完善和器件制作工艺的不断革新，将会有越来越多的 性能优越的前置放大器出现。 低噪声前置放大器的设计 第 3 页 共 19 页 2 低噪声前置放大器的设计 差分电路，场效应管 差分电路 差模输入的一般概念：差模信号 idV = 21 ii VV 共模信号 )( 21 iiic VVV  差模电压增益 是差模电压）0101 (/ VVVA idVD  共模电压增益 是共模电压）0202 (/ VVVA icVC  总输出电压 icVCidVD VAVAVVV  02020 根据差模信号，共模信号的表达式1 2ici id vVv又有 共模抑制比，反应抑制零漂能力的指标，其定义为放大电路对差模信号的电压增益与对共模信号的电压之比的绝对值 如图所示图 1 为差分放大电路双端输入，双端输出交流简图 ［６ ］。 当集电极两端空载时 差模电压增益 1OVD id beV RA Vr   (1) 共模电压增益 0vcA  (2) 共模抑制比 VDCMRVCAK A (3) 当集电极两端接入负载电阻 R2 时 差模电压增益 2vd beRA r (4) 共模电压增益 0vcA  (5) VDCMRVCAK A低噪声前置放大器的设计 第 4 页 共 19 页 共模抑制比 0CMRK  (6) 单端输入情况基本一样，仅是差模电压增益是双端输入的一半在电路完全对称，双端输入，双端输出 ［７］ 的情况下，图 1 所示的电路与单边电路的电压增益相等。 所以该电路是用双倍的期间换取抑制共模信号的能力。 如图 2 所示为双端输入，单端输出交流简图。 共模电压 增益 1 2 (( 1 ) 2vc be RA R Or R O   为 实 际 电 流 源 动 态 输 出 电 阻 ) (7) 共模抑制比 VDCM R VC beA ROK Ar (8) R1R2R3Q1V i = + v i d / 2Q2V i 2 = v i d / 2 ROR2R3ROQ1V i 1 = v icQ3V i 2 = v ic 图 1 差分电路 图 2 差分电路单端输出 场效应管 场效应管是一种利用电场效应的电压控制电流器件。 根据结构不同，场效应管可以分为两大类：结型场效应管 (JFET)和金属 氧化物 半导体场效应管 (MOSFET)。 每一类又可以分为 N 沟道和 P 沟道两种类型，每一种类型又可以分成增强型和耗尽型。 N 沟道 JFET 工作时，在栅极 (g)与源极 (s)间需加一负电压，使栅极，沟道间的PN 结反偏，栅极电流几乎为零，场效应 [8]管呈现高达 710  以上的输入电阻。 在漏极与源极加一正电压 ( DS 0)，是 N 沟道中的多数载流子 (电子 )在电场作用下由源极向漏极运动，形成电流 Di ， Di 大小受 GSv 控制。 图 3 所示为 N 沟道的 JFET。 图 4 为小信号的 FET 模型 低噪声前置放大器的设计 第 5 页 共 19 页 g ds(c ) 图 3 场效应管符号 现在我们用 FET的小信号模型来分析图 5所示的共源极放大电路。 其中由于 dsr 通常在几百千欧的数量级，一般负载电阻比 dsr 小很多，所以近似认为 dsr 开路 ［９］。 电压增益 413omV imv g RA v g R    (9) 输入电阻 1 2 5iR R R R (10) 输出电阻 4ORR (11) ○ ○ .gsV○ ○ .dsV gsC gdC .gsmgVdsr dsC图 4 FET的小信号模型 低噪声前置放大器的设计 第 6 页 共 19 页 R1R2 R3R4R5C1C2Q 1 : AVDDVo 图 5 共源极放大电路 第一级放大电路的设计 通过前面的简介，我们对基本电路元件和电路构成有了基本了解。 而本次的低噪声前置放大器将有两级电路构成，其中第一级就是差分放大电路。 限幅电路 信号从电路的输入端输入，先通过一个聚丙烯电容。 聚丙烯电容用于将从信号源中流出的直流信号和交流信号隔离开，既保证了后面的电路不 被直流大信号烧坏，同时也防止直流信号影响后面电路的静态工作点 ［１０］。 而 4 个二极管连接成保护电路，防止大信号进入后面的电路从而烧毁电路。 但如果加大信号的话，则二极管导通，相当于在电路上串联一个很小的电阻，使得电流直接从二极管流到地，大信号无法进入后继电路，从而保护芯片，以防止芯片烧毁。 所以输入电压应控制在177。 之内。 D1D2D3D4C1 图 6 限幅电路 低噪声前置放大器的设计 第 7 页 共 19 页 差分电路 经过前面的电路滤除直流信号，限制了输入信号的幅度以后，最后的待放大信号进入差分电路。 差分电路可以抑制零点漂移和 共模信号，放大信号。 差分放大电路由两个特性相同的结型场效应管 ［１１］ 构成对称电路，电路的参数也对称，即 R2， R4 都为 32 。 两管的源极连接在一起，然后再接一个恒流源。 电路采用场效应管MGF1402B 组成。 由于场效应管栅源之间处于绝缘或者反向偏置，所以输入电阻很高。 又由于场效应管是一种多数载流子控制器件，因此热稳定性好，抗辐射能力强，噪声系数小，制造工艺简单，便于大规模集成，因此得。