為(wèi)您的接收器前端选择 LNA

2022-03-21

為(wèi)您的接收器前端选择 LNA

背景：為(wèi)什么 LNA 很(hěn)重要

韬放電(diàn)子将低噪声放大器 (LNA) 定义為(wèi)噪声系数 (NF) 低于 3 dB 的任何放大器，通常应在射频或微波接收器链的前端使用(yòng)以获得理(lǐ)想性能(néng)。这个单一组件对信号链的其余部分(fēn)产生了巨大的影响，这就是為(wèi)什么选择 LNA 是一个如此关键的决定。韬放電(diàn)子随时准备帮助我们的客户完成这个过程，所以让我们来看看其中的内容。

要了解 LNA 的重要性，请考虑构成接收器前端的一系列级联放大器。為(wèi)了计算整个链的总噪声系数，我们可(kě)以获取每个单独放大器的增益 (G) 和噪声系数 (F)，并应用(yòng) Frii 的噪声公式，如图 1 所示。

图 1：级联接收器信号链的 Frii 噪声系数公式。

注意第一个被加数 (F 1 )——它是唯一包含第一个放大器噪声因子的被加数——也是具有(yǒu)最小(xiǎo)分(fēn)母（即 1）的被加数。同时，每个后续加法（包含后续放大器的噪声因子）的分(fēn)母总是大于前一个（假设所有(yǒu)放大器都具有(yǒu)正增益）。因此很(hěn)明显，在所有(yǒu)其他(tā)条件相同的情况下，每个后续被加数的总值越来越多(duō)地受到分(fēn)母的阻碍——因此，第一个放大器最有(yǒu)可(kě)能(néng)增加整个系统的噪声系数。

直观而不是数學(xué)理(lǐ)解，第一个放大器引入的噪声也被随后的每个放大器放大。同时，第一个放大器的增益越大，第一个放大器输出的信噪比 (SNR) 就可(kě)以越大（这為(wèi)后续放大器的噪声贡献提供了更多(duō)“空间”）。换句话说，第一个放大器的输出是所有(yǒu)后续放大器必须从其工作的基線(xiàn)或“起点”。因此，為(wèi)什么第一个接收器应该是 LNA 是有(yǒu)道理(lǐ)的，这也是设计人员花(huā)费大量时间寻找噪声系数和增益性能(néng)的理(lǐ)想组合来选择它的原因。对其他(tā)参数的附加要求，例如 DC 功耗、1 dB 压缩时的输出功率、

信号和噪声如何与 LNA 相互作用(yòng)

无论其噪声系数有(yǒu)多(duō)低，LNA 都无法降低进入它的信号的 SNR（即，它无法创造奇迹）。LNA - 就像任何其他(tā)放大器一样 - 将增加相同数量的输入信号和输入噪声的功率（因為(wèi)放大器无法“區(qū)分(fēn)”两者之间的差异）。它本身也会增加少量噪声，我们将其表示為(wèi) LNA 的噪声系数（噪声系数只是噪声系数，在图 1 中表示為(wèi) F 1，以分(fēn)贝為(wèi)单位）。

图 2 说明了由于 LNA 导致的 SNR 下降。图 2 的左侧显示了 LNA 输入的信号和热噪声。然后，LNA 将输入信号功率以及输入的热噪声增加相同的量——这就是增益。但是，LNA 自身也会产生一些热噪声——这就是噪声系数。图 2 的右侧显示了结果输出。

图 2：输入信号和 LNA 的信号和噪声贡献。

為(wèi)您的要求选择合适的 LNA 型号

我们经常从客户那里看到的最关键的 LNA 要求是增益 (G)、噪声系数 (NF)、尺寸和成本。我们看到的其他(tā)常见要求包括三阶截点 (IP3)、直流功耗和 1dB 压缩时的输出功率 (P1dB)。在理(lǐ)想情况下，LNA 将提供所有(yǒu)这些参数的完美组合。然而，现实世界并不完全相同，LNA 的参数之间会有(yǒu)必要的权衡。我们可(kě)以帮助指导接收机设计人员权衡这些权衡，以最好地满足他(tā)们的要求。

放大器性能(néng)参数之间的权衡是相互关联的，就像一个复杂的网络。我们在图 3 中提供了一个非常简化的外观，并為(wèi) LNA 量身定制了重点。

图 3：一些放大器参数权衡。

例如，如果空间非常宝贵，设计人员可(kě)能(néng)会发现最好选择紧凑型 MMIC LNA，而不是选择具有(yǒu)更高功率处理(lǐ)能(néng)力的更大、连接器式 LNA。或者，假设他(tā)们正在设计一个具有(yǒu) 1,000 个元素的相控阵雷达接收器。在这种情况下，将需要 1,000 个 LNA，因此所选型号的直流功耗将乘以 1,000 倍的整體(tǐ)系统功率预算。这可(kě)能(néng)会促使人们决定选择具有(yǒu)较低功耗的模型，但会牺牲線(xiàn)性度和 P 1dB等其他(tā)参数。

设计人员经常面临带宽和性能(néng)之间的权衡，LNA 也不例外。LNA 设计可(kě)以是宽带的，也可(kě)以针对特定频段进行优化，这两种方法各有(yǒu)利弊。频带优化 LNA 设计通常可(kě)以实现比宽带设计更低的噪声系数和更高的線(xiàn)性度。在窄带设计中，功耗通常也较低。因此，此类窄带 LNA 非常适合為(wèi)特定频段（如 L、C、Ku 或 Ka 频段）设计接收器，但可(kě)能(néng)不适用(yòng)于需要单个宽带 LNA 的软件定义无線(xiàn)電(diàn) (SDR) 应用(yòng)。覆盖更宽的带宽。

微型電(diàn)路 LNA

韬放電(diàn)子提供业界最广泛的 LNA 选择之一，包括针对特定应用(yòng)频段的设计以及具有(yǒu)出色全面性能(néng)的宽带型号。

PMA2-33LN+ LNA 是可(kě)用(yòng)于窄带宽应用(yòng)的 LNA 的一个很(hěn)好的例子。NF 在 0.9 – 3 GHz 频率范围内小(xiǎo)于 1 dB，在 1.5 GHz 时实现了 0.36 dB 的最小(xiǎo)噪声系数。此带宽上的典型 P 1dB為(wèi) 17 dBm，OIP3 在 30 到 39 dBm 之间变化，直流功耗约為(wèi) 170 mW。图 4 中的增益响应说明了该产品的调谐设计。

图 4：微型電(diàn)路 PMA2-33LN+ LNA 增益与频率图。

PMA3-83LN+是宽带 LNA的一个很(hěn)好的例子。噪声系数在 0.5 – 8 GHz 频率范围内通常為(wèi) 1.5 dB，在 2 GHz 时达到 1.3 dB 的最小(xiǎo)噪声系数——在该频率范围内是一个特殊的数字。此带宽上的典型 P 1dB為(wèi) 18-20 dBm，OIP3 在 28 至 34 dBm 之间变化，直流功耗為(wèi) 300 mW。

最后，宽带 LNA 设计的最新(xīn)示例是我们的PMA3-453+，我们设计它的目的是覆盖极宽的频率范围，同时仍能(néng)实现出色的射频性能(néng)。该型号的噪声系数在 10 – 45 GHz 频率范围内為(wèi) 1.6 至 5.2 dB，在 20 GHz 时实现了 1.6 dB 的最小(xiǎo)噪声系数。此带宽上的典型 P 1dB為(wèi) 8.5 至 12.7 dBm，OIP3 在 18.6 至 23.4 dBm 之间变化。直流功耗為(wèi) 475 mW，较高的功耗归因于该产品更宽的带宽。

在為(wèi)其接收器选择最佳 LNA 时，将有(yǒu)助于设计人员牢记这些参数的相关模式。

LNA 的正确选择并不总是显而易见的。系统设计人员必须考虑许多(duō)因素，包括系统应用(yòng)、電(diàn)气要求、机械要求和成本。韬放電(diàn)子庞大的 LNA 产品组合為(wèi)设计师提供了当今市场上最广泛的选择，我们随时准备在此过程中提供我们的经验。