低噪聲放大器是接收機(jī)的關(guān)鍵組成部分，在整個通信系統(tǒng)的射頻前端設(shè)計中占據(jù)重要地位。

本文主要重點(diǎn)講解低噪聲放大器的定義、主要特點(diǎn)、性能指標(biāo)、基本設(shè)計步驟和常見的低噪放電路配置。

我司是一家無線通信集成電路科技公司、在射頻和微波集成電路及多芯片組件的設(shè)計、制造處于行業(yè)領(lǐng)先地位。在中國多個區(qū)域建有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品線、制造和銷售1000多個產(chǎn)品型號。包括業(yè)界最小尺寸的真對數(shù)放大器(5mmX5mm)、低噪聲放大器(LNA、NF=0.20dB)、壓控振蕩器(VCO)、開關(guān)(SWITCH)、低插損濾波器(Low Loss filter)、電源控制(DC-control) ，高線性功率放大器(H-LPA)，上電時序控制電路(Power timing sequence control circuit)和子系統(tǒng)。同時承接先進(jìn)系統(tǒng)封裝(SiP系統(tǒng)級封裝)定制解決方案，為高端設(shè)備制造商提供核心競爭力的高性能、高質(zhì)量產(chǎn)品。

一、低噪聲放大器定義

低噪聲放大器(簡稱LNA)是射頻接收機(jī)前端的主要部分，要求具有最小的噪聲系數(shù)、較大的增益、足夠的動態(tài)范圍、輸入端良好匹配和一定的頻帶選擇等性能。

低噪聲放大器通常在通信射頻前端的位置，例如在單次變頻超外差式接收機(jī)里

由于天線接收輸入信號通常很小,需要對其進(jìn)行放大，但為了盡可能地少的引入噪聲，故采用低噪聲放大器對天線接收的微弱信號進(jìn)行放大。

二、低噪聲放大器的主要特點(diǎn)

(1) LNA靠近接收機(jī)的最前端，要求它的噪聲系數(shù)越小越好。

(2) LNA所接受的信號是很微弱的，故它是一個信號線性放大器。

(3) 低噪聲放大器的輸入端必須與前接的天線濾波器或天線匹配。

(4) 低噪聲放大器應(yīng)具有一定的選頻能力，因此它一般是頻帶放大器。

三、低噪聲放大器的主要指標(biāo)

低噪聲放大器的主要指標(biāo)

(1) 噪聲系數(shù)(F)

取決于系統(tǒng)要求，可以從1dB以下到幾個dB，噪聲系數(shù)與放大器的工作頻率、靜態(tài)工作點(diǎn)及工藝有關(guān)，是低噪聲放大器最為關(guān)鍵的指標(biāo)。

(2)增益(S21)

較大的增益有助于減小低噪聲放大器后級電路噪聲對接收機(jī)的影響，但增 益過大將會引起線性度的惡化。因此，低噪聲放大器的增益應(yīng)適中，一般在25dB以下。

(3) 輸入輸出匹配(S11, S22)

輸入輸出匹配決定輸入輸出端的射頻濾波器的頻響

(4)反向隔離(S12)

反映輸出端與輸入端的隔離度，隔離度越大越好。

(5)線性度、線性范圍

衡量指標(biāo)：三階互調(diào)截點(diǎn)IIP3、增益1dB壓縮點(diǎn)，

線性范圍和器件有關(guān)，場效應(yīng)管由于是平方率特性，因此它的線性要比雙極型好。

線性范圍和電路結(jié)構(gòu)有關(guān)。

輸入端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也會影響LNA的線性范圍。

(6)隔離度和穩(wěn)定性

增大低噪聲放大器的反向隔離可以減少本振信號從混頻器向天線泄露程度，以增強(qiáng)放大器的穩(wěn)定性。通常采用中和電容法及晶體管共射共基(或共源共柵)結(jié)構(gòu)提高穩(wěn)定性。

四、低噪聲放大器基本設(shè)計步驟

(1)依據(jù)應(yīng)用要求(噪聲，頻率，帶寬，增益，功耗等)選擇合適的晶體管

(2)確定LNA電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(3) 確定放大器的直流工作點(diǎn)和設(shè)計偏置電路

(4)確定最小噪聲輸入阻抗

(5)將最小噪聲輸入阻抗匹配到信號源阻抗(輸入匹配網(wǎng)絡(luò))

(6) 確定放大器輸出阻抗

(7) 匹配放大器輸出阻抗到負(fù)載阻抗(輸出匹配網(wǎng)絡(luò))

(8)仿真LNA性能和優(yōu)化

(9) 電路制作和性能調(diào)試

(10)性能的測量和標(biāo)定

五、常見的低噪聲放大器電路配置

(1)共發(fā)射極或共源極LNA(CE/CS)

(2)共基極或共柵極LNA(CB/CG)

(3)共集極或共漏極LNA(CC/CD)

(4)電流共用LNA

(5)負(fù)反饋LNA

低噪聲放大器是一種用于增強(qiáng)微小信號并盡可能減少噪聲的電路。其主要原理包括盡可能減小噪聲系數(shù)、選擇合適的放大倍數(shù)和頻帶等。

1.降低噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)是輸入信號與輸出信號之間的信噪比(SNR)變化的度量。為了減少系統(tǒng)中的噪聲，應(yīng)該盡量降低噪聲系數(shù)。方法包括使用低噪聲元件、匹配電路和盡量選用合適溫度下工作等。

2.選擇合適的放大倍數(shù)和頻帶

放大倍數(shù)過小時，微小信號難以被識別，而過大則可能會引入更多的噪聲。因此需要選擇合適的放大倍數(shù)。另外，低噪聲放大器的頻帶寬度也需要根據(jù)具體信號特征進(jìn)行調(diào)整。

低噪聲放大器設(shè)計步驟

低噪聲放大器設(shè)計需要經(jīng)歷多個步驟，包括確定應(yīng)用、選擇合適的電路結(jié)構(gòu)和元件、優(yōu)化參數(shù)和進(jìn)行實驗驗證等。

1.確定應(yīng)用

首先需要明確所要應(yīng)用的具體場景和信號特征，比如信號頻率、電壓范圍等。同時還需要確定系統(tǒng)性能指標(biāo)，如增益、噪聲系數(shù)等。

2.選擇合適的電路結(jié)構(gòu)和元件

根據(jù)具體應(yīng)用需求，可以選擇不同的電路結(jié)構(gòu)和元件組成放大器電路。比較常見的包括共源極放大器、共基極放大器、共射極放大器、磁控管等。

3.優(yōu)化參數(shù)

在確定電路結(jié)構(gòu)和元件后，需要對各項參數(shù)進(jìn)行綜合考慮并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。最終需要得到合適的工作點(diǎn)、電路增益和帶寬、輸入輸出阻抗等重要參數(shù)。

4.進(jìn)行實驗驗證

完成設(shè)計后，需要進(jìn)行實驗驗證以評估系統(tǒng)性能和符合度。并根據(jù)實際效果對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。