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(gè)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(gè)如此關(guān)鍵的決定。韜放電子隨時(shí)準備幫助我們的客戶(hù)完成這個(gè)過(guò)程，所以讓我們來(lái)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(lián)放大器。為了計算整個(gè)鏈的總噪聲系數，我們可以獲取每個(gè)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(lián)接收器信號鏈的 Frii 噪聲系數公式。

注意第一個(gè)被加數 (F 1 )——它是唯一包含第一個(gè)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(shí)，每個(gè)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(gè)（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(gè)后續被加數的總值越來(lái)越多地受到分母的阻礙——因此，第一個(gè)放大器最有可能增加整個(gè)系統的噪聲系數。

直觀(guān)而不是數學(xué)理解，第一個(gè)放大器引入的噪聲也被隨后的每個(gè)放大器放大。同時(shí)，第一個(gè)放大器的增益越大，第一個(gè)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(huà)說(shuō)，第一個(gè)放大器的輸出是所有后續放大器必須從其工作的基線(xiàn)或“起點(diǎn)”。因此，為什么第一個(gè)接收器應該是 LNA 是有道理的，這也是設計人員花費大量時(shí)間尋找噪聲系數和增益性能的理想組合來(lái)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(shí)的輸出功率、

信號和噪聲如何與 LNA 相互作用

無(wú)論其噪聲系數有多低，LNA 都無(wú)法降低進(jìn)入它的信號的 SNR（即，它無(wú)法創(chuàng )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(wú)法“區分”兩者之間的差異）。它本身也會(huì )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(shuō)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(huì )產(chǎn)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(jīng)常從客戶(hù)那里看到的最關(guān)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(jiàn)要求包括三階截點(diǎn) (IP3)、直流功耗和 1dB 壓縮時(shí)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(shí)世界并不完全相同，LNA 的參數之間會(huì )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(mǎn)足他們的要求。

放大器性能參數之間的權衡是相互關(guān)聯(lián)的，就像一個(gè)復雜的網(wǎng)絡(luò )。我們在圖 3 中提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)化的外觀(guān)，并為 LNA 量身定制了重點(diǎn)。

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(huì )發(fā)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?，假設他們正在設計一個(gè)具有 1,000 個(gè)元素的相控陣雷達接收器。在這種情況下，將需要 1,000 個(gè) 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(huì )促使人們決定選擇具有較低功耗的模型，但會(huì )犧牲線(xiàn)性度和 P 1dB等其他參數。

設計人員經(jīng)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(jìn)行優(yōu)化，這兩種方法各有利弊。頻帶優(yōu)化 LNA 設計通?？梢詫?shí)現比寬帶設計更低的噪聲系數和更高的線(xiàn)性度。在窄帶設計中，功耗通常也較低。因此，此類(lèi)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(gè)寬帶 LNA 的軟件定義無(wú)線(xiàn)電 (SDR) 應用。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(gè)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(shí)實(shí)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(shuō)明了該產(chǎn)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(gè)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(shí)達到 1.3 dB 的最小噪聲系數——在該頻率范圍內是一個(gè)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(shí)仍能實(shí)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(shí)實(shí)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(chǎn)品更寬的帶寬。

在為其接收器選擇最佳 LNA 時(shí)，將有助于設計人員牢記這些參數的相關(guān)模式。

LNA 的正確選擇并不總是顯而易見(jiàn)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(chǎn)品組合為設計師提供了當今市場(chǎng)上最廣泛的選擇，我們隨時(shí)準備在此過(guò)程中提供我們的經(jīng)驗。