為您的接收器前端選擇 LNA

2022-03-21

為您的接收器前端選擇 LNA

背景：為什么 LNA 很重要

韜放電子將低噪聲放大器 (LNA) 定義為噪聲系數 (NF) 低于 3 dB 的任何放大器，通常應在射頻或微波接收器鏈的前端使用以獲得理想性能。這個單一組件對信號鏈的其余部分產生了巨大的影響，這就是為什么選擇 LNA 是一個如此關鍵的決定。韜放電子隨時準備幫助我們的客戶完成這個過程，所以讓我們來看看其中的內容。

要了解 LNA 的重要性，請考慮構成接收器前端的一系列級聯放大器。為了計算整個鏈的總噪聲系數，我們可以獲取每個單獨放大器的增益 (G) 和噪聲系數 (F)，并應用 Frii 的噪聲公式，如圖 1 所示。

圖 1：級聯接收器信號鏈的 Frii 噪聲系數公式。

注意第一個被加數 (F 1 )——它是唯一包含第一個放大器噪聲因子的被加數——也是具有最小分母（即 1）的被加數。同時，每個后續加法（包含后續放大器的噪聲因子）的分母總是大于前一個（假設所有放大器都具有正增益）。因此很明顯，在所有其他條件相同的情況下，每個后續被加數的總值越來越多地受到分母的阻礙——因此，第一個放大器最有可能增加整個系統的噪聲系數。

直觀而不是數學理解，第一個放大器引入的噪聲也被隨后的每個放大器放大。同時，第一個放大器的增益越大，第一個放大器輸出的信噪比 (SNR) 就可以越大（這為后續放大器的噪聲貢獻提供了更多“空間”）。換句話說，第一個放大器的輸出是所有后續放大器必須從其工作的基線或“起點”。因此，為什么第一個接收器應該是 LNA 是有道理的，這也是設計人員花費大量時間尋找噪聲系數和增益性能的理想組合來選擇它的原因。對其他參數的附加要求，例如 DC 功耗、1 dB 壓縮時的輸出功率、

信號和噪聲如何與 LNA 相互作用

無論其噪聲系數有多低，LNA 都無法降低進入它的信號的 SNR（即，它無法創造奇跡）。LNA - 就像任何其他放大器一樣 - 將增加相同數量的輸入信號和輸入噪聲的功率（因為放大器無法“區分”兩者之間的差異）。它本身也會增加少量噪聲，我們將其表示為 LNA 的噪聲系數（噪聲系數只是噪聲系數，在圖 1 中表示為 F 1，以分貝為單位）。

圖 2 說明了由于 LNA 導致的 SNR 下降。圖 2 的左側顯示了 LNA 輸入的信號和熱噪聲。然后，LNA 將輸入信號功率以及輸入的熱噪聲增加相同的量——這就是增益。但是，LNA 自身也會產生一些熱噪聲——這就是噪聲系數。圖 2 的右側顯示了結果輸出。

圖 2：輸入信號和 LNA 的信號和噪聲貢獻。

為您的要求選擇合適的 LNA 型號

我們經常從客戶那里看到的最關鍵的 LNA 要求是增益 (G)、噪聲系數 (NF)、尺寸和成本。我們看到的其他常見要求包括三階截點 (IP3)、直流功耗和 1dB 壓縮時的輸出功率 (P1dB)。在理想情況下，LNA 將提供所有這些參數的完美組合。然而，現實世界并不完全相同，LNA 的參數之間會有必要的權衡。我們可以幫助指導接收機設計人員權衡這些權衡，以最好地滿足他們的要求。

放大器性能參數之間的權衡是相互關聯的，就像一個復雜的網絡。我們在圖 3 中提供了一個非常簡化的外觀，并為 LNA 量身定制了重點。

圖 3：一些放大器參數權衡。

例如，如果空間非常寶貴，設計人員可能會發現最好選擇緊湊型 MMIC LNA，而不是選擇具有更高功率處理能力的更大、連接器式 LNA?；蛘撸僭O他們正在設計一個具有 1,000 個元素的相控陣雷達接收器。在這種情況下，將需要 1,000 個 LNA，因此所選型號的直流功耗將乘以 1,000 倍的整體系統功率預算。這可能會促使人們決定選擇具有較低功耗的模型，但會犧牲線性度和 P 1dB等其他參數。

設計人員經常面臨帶寬和性能之間的權衡，LNA 也不例外。LNA 設計可以是寬帶的，也可以針對特定頻段進行優化，這兩種方法各有利弊。頻帶優化 LNA 設計通常可以實現比寬帶設計更低的噪聲系數和更高的線性度。在窄帶設計中，功耗通常也較低。因此，此類窄帶 LNA 非常適合為特定頻段（如 L、C、Ku 或 Ka 頻段）設計接收器，但可能不適用于需要單個寬帶 LNA 的軟件定義無線電 (SDR) 應用。覆蓋更寬的帶寬。

微型電路 LNA

韜放電子提供業界最廣泛的 LNA 選擇之一，包括針對特定應用頻段的設計以及具有出色全面性能的寬帶型號。

PMA2-33LN+ LNA 是可用于窄帶寬應用的 LNA 的一個很好的例子。NF 在 0.9 – 3 GHz 頻率范圍內小于 1 dB，在 1.5 GHz 時實現了 0.36 dB 的最小噪聲系數。此帶寬上的典型 P 1dB為 17 dBm，OIP3 在 30 到 39 dBm 之間變化，直流功耗約為 170 mW。圖 4 中的增益響應說明了該產品的調諧設計。

圖 4：微型電路 PMA2-33LN+ LNA 增益與頻率圖。

PMA3-83LN+是寬帶 LNA的一個很好的例子。噪聲系數在 0.5 – 8 GHz 頻率范圍內通常為 1.5 dB，在 2 GHz 時達到 1.3 dB 的最小噪聲系數——在該頻率范圍內是一個特殊的數字。此帶寬上的典型 P 1dB為 18-20 dBm，OIP3 在 28 至 34 dBm 之間變化，直流功耗為 300 mW。

最后，寬帶 LNA 設計的最新示例是我們的PMA3-453+，我們設計它的目的是覆蓋極寬的頻率范圍，同時仍能實現出色的射頻性能。該型號的噪聲系數在 10 – 45 GHz 頻率范圍內為 1.6 至 5.2 dB，在 20 GHz 時實現了 1.6 dB 的最小噪聲系數。此帶寬上的典型 P 1dB為 8.5 至 12.7 dBm，OIP3 在 18.6 至 23.4 dBm 之間變化。直流功耗為 475 mW，較高的功耗歸因于該產品更寬的帶寬。

在為其接收器選擇最佳 LNA 時，將有助于設計人員牢記這些參數的相關模式。

LNA 的正確選擇并不總是顯而易見的。系統設計人員必須考慮許多因素，包括系統應用、電氣要求、機械要求和成本。韜放電子龐大的 LNA 產品組合為設計師提供了當今市場上最廣泛的選擇，我們隨時準備在此過程中提供我們的經驗。