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為您的接收器前端選擇 LNA
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(shù) (NF) 低于 3 dB 的任何放大器，通常應(yīng)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(chǎn)生了巨大的影響，這就是為什么選擇 LNA 是一個如此關(guān)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(nèi)容。
要了解 LNA 的重要性，請考慮構(gòu)成接收器前端的一系列級聯(lián)放大器。為了計算整個鏈的總噪聲系數(shù)，我們可以獲取每個單獨放大器的增益 (G) 和噪聲系數(shù) (F)，并應(yīng)用 Frii 的噪聲公式，如圖 1 所示。
圖 1：級聯(lián)接收器信號鏈的 Frii 噪聲系數(shù)公式。
注意第一個被加數(shù) (F 1 )——它是唯一包含第一個放大器噪聲因子的被加數(shù)——也是具有最小分母（即 1）的被加數(shù)。同時，每個后續(xù)加法（包含后續(xù)放大器的噪聲因子）的分母總是大于前一個（假設(shè)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(xù)被加數(shù)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(tǒng)的噪聲系數(shù)。
直觀而不是數(shù)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(xù)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(xù)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(yīng)該是 LNA 是有道理的，這也是設(shè)計人員花費大量時間尋找噪聲系數(shù)和增益性能的理想組合來選擇它的原因。對其他參數(shù)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(shù)有多低，LNA 都無法降低進入它的信號的 SNR（即，它無法創(chuàng)造奇跡）。LNA - 就像任何其他放大器一樣 - 將增加相同數(shù)量的輸入信號和輸入噪聲的功率（因為放大器無法“區(qū)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(shù)（噪聲系數(shù)只是噪聲系數(shù)，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(cè)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(chǎn)生一些熱噪聲——這就是噪聲系數(shù)。圖 2 的右側(cè)顯示了結(jié)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(jīng)常從客戶那里看到的最關(guān)鍵的 LNA 要求是增益 (G)、噪聲系數(shù) (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(shù)的完美組合。然而，現(xiàn)實世界并不完全相同，LNA 的參數(shù)之間會有必要的權(quán)衡。我們可以幫助指導接收機設(shè)計人員權(quán)衡這些權(quán)衡，以最好地滿足他們的要求。
放大器性能參數(shù)之間的權(quán)衡是相互關(guān)聯(lián)的，就像一個復雜的網(wǎng)絡(luò)。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(shù)權(quán)衡。
例如，如果空間非常寶貴，設(shè)計人員可能會發(fā)現(xiàn)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。或者，假設(shè)他們正在設(shè)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(tǒng)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(shù)。
設(shè)計人員經(jīng)常面臨帶寬和性能之間的權(quán)衡，LNA 也不例外。LNA 設(shè)計可以是寬帶的，也可以針對特定頻段進行優(yōu)化，這兩種方法各有利弊。頻帶優(yōu)化 LNA 設(shè)計通常可以實現(xiàn)比寬帶設(shè)計更低的噪聲系數(shù)和更高的線性度。在窄帶設(shè)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(shè)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(yīng)用。覆蓋更寬的帶寬。
微型電路 LNA
韜放電子提供業(yè)界最廣泛的 LNA 選擇之一，包括針對特定應(yīng)用頻段的設(shè)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(yīng)用的 LNA 的一個很好的例子。NF 在 0.9 – 3 GHz 頻率范圍內(nèi)小于 1 dB，在 1.5 GHz 時實現(xiàn)了 0.36 dB 的最小噪聲系數(shù)。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(yīng)說明了該產(chǎn)品的調(diào)諧設(shè)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(shù)在 0.5 – 8 GHz 頻率范圍內(nèi)通常為 1.5 dB，在 2 GHz 時達到 1.3 dB 的最小噪聲系數(shù)——在該頻率范圍內(nèi)是一個特殊的數(shù)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(shè)計的最新示例是我們的PMA3-453+，我們設(shè)計它的目的是覆蓋極寬的頻率范圍，同時仍能實現(xiàn)出色的射頻性能。該型號的噪聲系數(shù)在 10 – 45 GHz 頻率范圍內(nèi)為 1.6 至 5.2 dB，在 20 GHz 時實現(xiàn)了 1.6 dB 的最小噪聲系數(shù)。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(chǎn)品更寬的帶寬。
在為其接收器選擇最佳 LNA 時，將有助于設(shè)計人員牢記這些參數(shù)的相關(guān)模式。
LNA 的正確選擇并不總是顯而易見的。系統(tǒng)設(shè)計人員必須考慮許多因素，包括系統(tǒng)應(yīng)用、電氣要求、機械要求和成本。韜放電子龐大的 LNA 產(chǎn)品組合為設(shè)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(jīng)驗。