芯耀
1727
一、前言
低噪声放大器（LNA）是接收机里的基础部件，核心作用是放大微弱的输入信号，同时尽量少引入额外噪声。作为接收机信号链的第一级，LNA会先放大天线接收到的微弱射频信号，再把信号送到后面的处理环节。它的主要功能是增强输入信号的强度，同时避免信噪比（SNR）明显降低。保持新增噪声水平低很关键，这样能让放大后的信号和接收机内部本身的噪声区分开，从而保证接收信息的完整性。
LNA的设计目标是要有高增益，这样才能把微弱信号大幅放大，但它的核心特性其实体现在低噪声系数上——这个指标是用来衡量放大器给信号引入多少额外噪声的。低噪声系数能保证就算信号特别弱，放大后的信号也能保持清晰和完整。
本质上，LNA就是输入射频信号的“网关”，它既能把最微弱的传输信号放大到足够让下游电路处理的程度，又能让信号保持清晰和保真度。因为LNA在放大微弱信号时能做到额外噪声最小，所以它成了现代通信系统和接收机里必不可少的部件。
二、LNA在射频前端的关键地位
在射频前端里，LNA一般是第一个接收并放大天线捕捉到的微弱输入信号的部件，起着核心作用。它的主要功能是放大微弱信号的同时，尽量少引入额外噪声，这样就能提高接收机的整体灵敏度和性能。
1、射频前端中的功能
（1）信号放大
LNA的核心功能是将微弱的射频信号放大至接收机后续环节可检测和处理的水平，在显著增强信号强度的同时避免大幅降低信噪比。
（2）噪声管理
维持低噪声系数至关重要：LNA设计旨在为输入信号添加尽可能少的噪声，确保放大后的信号可与背景噪声区分，保持信号完整性。
（3）阻抗匹配
LNA常被设计为匹配天线与接收机后续环节的阻抗，通过优化天线到放大器的功率传输效率，最小化信号损耗或失真。
（4）频率选择性
部分LNA集成频率选择功能，可在特定频段内放大信号并抑制其他频段，帮助滤除无用噪声或干扰信号。
（5）位置与影响
作为接收机的前端组件，LNA直接影响系统整体性能。其在放大微弱信号时控制噪声引入的能力，直接关系到接收机的灵敏度、动态范围及在复杂环境中检测处理信号的能力。
2、设计挑战与考量
设计射频前端LNA需在增益、噪声系数、功耗和线性度之间权衡。工程师需应对“在实现高增益的同时维持低噪声和适当线性度”这一复杂挑战，通常需借助先进电路设计与优化技术解决。
LNA在无线电接收机电路的前端抑制无用噪声方面起着关键作用。其主要功能是将额外噪声降至最低，这是优化系统后续阶段对所需信号提取的关键环节。LNA的噪声系数（NF）是一个关键参数，它主导着整个接收机的噪声系数。其计算公式为：
- NF（噪声系数）：单位是dB，数值越小，说明放大器给信号引入的额外噪声越少，对信号的“污染”也就越低。
- F（过剩噪声因子）：反映放大器自身产生额外噪声的特性，F越大，意味着放大器本身的固有噪声越多。
- G???（功率增益）：指输出功率和输入功率的比值，增益越高，输入信号被放大的程度就越明显。
- LNA的设计要点：为了把额外噪声降到最低，设计师会重点挑选低噪声组件、确定合适的工作点，还要选择符合降噪目标的电路拓扑结构，同时兼顾功率增益、阻抗匹配等其他设计要求。在LNA的设计中，平衡好降低额外噪声与实现其他设计目标（比如最大化功率增益、保证合适的阻抗匹配）非常关键。做到这种平衡，才能确保接收机系统达到最佳性能，让有用信号接收得更好，同时把无用噪声控制到最低。
- 弗里斯公式的作用：弗里斯公式（Friss’s formula）是一个基础方程，能帮助我们理解系统中噪声系数、增益和级联级数（也就是放大器数量）之间的关系。
其中：
Ftotal：级联系统的总噪声系数，衡量整个多级系统引入噪声的总效果。
F1,F2,...,Fn：各级模块的噪声系数（线性值），F1是第一级的噪声系数，F2是第二级…… 以此类推，每级自身噪声特性用F表示。
G1,G2,...,Gn?1：各级模块的功率增益（线性值，非dB），G1是第一级增益，G2是第二级…… 注意最后一项分母是前n?1级的增益乘积。
在低噪声放大器的应用里，当有多个放大级联级时，弗里斯公式就很关键了。每个级联级都会给整个系统带来自己的噪声。整个级联系统的噪声系数，不仅受各级噪声系数的影响，还和它们的增益有关。
对于低噪声放大器设计师来说，弗里斯公式是理解多级放大器级联怎么影响系统整体噪声系数的准则。它强调了保证各级低噪声系数的重要性，因为某一级的噪声系数高，会明显影响整个系统的噪声性能。
设计低噪声放大器时，工程师一般想采用低噪声放大级，来让累积的噪声系数最小化。这可能需要在优化各级以达到最小噪声系数的同时，保证有足够的增益来满足系统整体的需求。在那些对信号完整性要求很高的高灵敏度接收机应用中（比如通信系统或者高灵敏度测量设备），让低噪声放大器达到低的整体噪声系数是很关键的。
3、低噪声信号放大
当天线接收射频信号时，受距离、干扰或者环境条件等因素影响，信号通常都很微弱。低噪声放大器的作用就是把这些微弱信号放大到接收机后续电路能有效处理的电平。但关键是，放大过程中不能引入太多噪声，不然会让信号失真或者变差。
4、阻抗匹配与增益
另外，低噪声放大器在设计上还能实现天线和接收机后续电路之间的阻抗匹配，以此优化从天线到放大器的功率传输。这种阻抗匹配能最大程度减少信号损耗或失真，让低噪声放大器高效提取并放大所需信号。
低噪声放大器一般都有高增益，也就是说它能明显增强输入信号的强度。这种高增益可以把很微弱的信号大幅放大，让接收机的其他电路更易检测和解读这些信号。
三、如何理解低噪声放大器稳定性
设计LNA的时候，保证稳定性是头等大事。这里说的稳定性，就是指放大器要能避免振荡——一旦振荡，性能就全完了。所以，搞懂稳定性的类型，还有LNA能保持稳定的条件，对设计成功至关重要。
1、稳定性的类型
- 绝对稳定：意思是不管源端和负载端接什么样的无源阻抗，LNA都能保持稳定。从数学上来说，就是输入反射系数（|Γin|）和输出反射系数（|Γout|）都小于1的时候，就能达到这种状态。
- 条件稳定：这种情况下，LNA只有在源端和负载端的无源阻抗处于某个特定范围内时才稳定。这种状态有时候也叫“潜在不稳定”，设计时得特别小心，因为稳定性会随着阻抗条件变化而变。
2、满足稳定性的条件
要让放大器稳定，必须满足这两个条件：
- |Γin|<1
- |Γout|<1
这两个条件是防止振荡、保证放大器性能在可接受范围内的根本。
3、稳定性圆方程的推导
先从散射参数（S参数）说起：
- S11：输入端的反射系数
- S12：从端口2到端口1的反向传输参数
- S21：从端口1到端口2的正向传输参数
- S22：输出端的反射系数
反射系数：
-?Γin：输入反射系数，反映了信号在放大器输入端口的反射情况；
-?Γout：输出反射系数，反映了信号在放大器输出端口的反射情况；
-?ΓL：负载反射系数；
-?ΓS：源反射系数。
（1）推导输入反射系数Γin
- 根据微波网络理论，通过分析双端口网络的电压和电流关系，可得输入反射系数Γin的表达式为：
这个式子的物理意义是，输入反射系数不仅取决于放大器自身的特性（由?S11体现），还与负载反射系数ΓL有关，S12*S21则描述了端口之间的耦合对输入反射的影响。
（2）推导输出反射系数Γout
同理，通过对双端口网络的分析，可得输出反射系数Γout的表达式为：
（3）确定稳定性条件
放大器稳定的条件是输入反射系数和输出反射系数的模都小于1，即：|Γin|<1和|Γout|<1。
（4）推导负载端稳定性圆方程
从|Γin|<1这个条件出发，将
代入|Γin|=1（临界稳定条件），得到：
为了方便在史密斯圆图上表示，将其转化为圆的方程形式。设ΓL=x+jy（ΓL是复数），通过一系列复数运算（包括等式两边同时平方、展开、合并实部和虚部等）：
首先，对
两边平方，得到
（*表示共轭）。
然后展开式子并进行整理，经过复杂的代数运算，最终可以得到标准圆方程的形式：∣ΓL?CL∣=rL，其中，圆心CL和半径rL的表达式为：
这里Δ=S11*S22-S12*S21，称为行列式。
（5）推导源载端稳定性圆方程
从|Γout|<1这个条件出发，将
代入|Γout|=1（临界稳定条件），经过与推导负载端稳定性圆方程类似的步骤，即等式两边平方、复数运算、整理等， 可以得到源端稳定性圆方程：∣Γs?Cs∣=rs，其中，圆心CL和半径rL的表达式为：
4、怎么判断哪个区域稳定？
史密斯圆图上的“稳定圆”，画的是放大器保持稳定时，负载或源阻抗的取值范围边界。首先得算出源端和负载端各自稳定圆的圆心和半径。
把稳定圆画到史密斯圆图上后，找同时满足输入、输出稳定条件的区域。这些区域就是放大器能稳定工作的范围。
5、举个例子
先拿简单负载试试，比如ZL=Z0
常用方法是先假设一个归一化负载阻抗（ZL=Z0，Z0是传输线的特征阻抗 ）。这样计算简单，能当稳定性分析的起点。
算这个负载对应的ΓL
根据假设的负载阻抗（ZL=Z0），算出反射系数ΓL ，后面用它判断稳定性。
要是ΓL=0呢？
负载反射系数为0时，稳定性条件方程会简化成 |Γin|=|S11|=1 。也就是说，稳定性条件变成看S11的模是不是等于1 。
看看|S11|是小于1还是大于1
算S11的模。要是 |S11|<1 ，说明对这个负载阻抗，放大器是绝对稳定的；要是|S11|>1 ，可能就不稳定。
6、用史密斯圆图验证
把S11画到史密斯圆图上，看看是不是落在之前找到的稳定区域里。如果不稳，就调整负载阻抗，直到满足稳定条件。
设计师跟着这些步骤做，再结合史密斯圆图这类工具，就能有效分析、保证LNA的稳定性——毕竟在各种应用里，稳定可靠的性能可是刚需 。
四、与低噪声放大器相关的示例问题
以下是一些涉及低噪声放大器及其性能参数计算的示例问题：
1、噪声系数计算
问题：一个低噪声放大器的增益为20dB，噪声系数为2dB。若输入SNR为10dB，信号经过该低噪声放大器后，输出信噪比是多少？
解答：已知低噪声放大器增益=20dB，低噪声放大器噪声系数=2dB，输入信噪比=10dB
利用公式：Output?SNR=Input?SNR/NF
带入相应参数：Output?SNR=10/1.585≈6.31，换算成dB为10*log10(6.31)≈8dB
2、增益计算
问题：一个低噪声放大器的输入功率为10μW，输出功率为100μW。计算该LNA的增益（以dB为单位 ）。
解答：已知：输入功率=10μW，输出功率=100μW
线性标度下的增益可通过以下公式计算：
五、低噪声放大器（LNA）的各类设计流程
1、MMIC设计
MMIC低噪声放大器是为在微波频率下工作而设计的集成电路，设计流程通常包括：
- 指标定义：清晰界定频率范围、增益、噪声系数、功耗等性能需求。
- 电路拓扑选择：根据应用场景和指标，选取合适的LNA拓扑，常见的有共源、共栅或共源共栅结构。
- 器件选型：挑选适配目标频率范围，具备低噪声、高增益特性的有源器件（如HEMT、HBT或CMOS?）。
- S参数仿真：借助ADS或Microwave Office等软件工具，仿真小信号S参数，分析并优化电路性能。
- 版图设计与制造：结合微带线、共面波导或其他传输线结构进行电路版图设计，利用半导体制造工艺完成MMIC制造。
- 测试与表征：通过测量对制造完成的MMIC进行表征，验证其性能是否符合既定参数。
2、分立元件设计
对于较低频率应用或对灵活性有要求的场景，也可使用晶体管、电阻、电容等分立元件设计LNA：
- 晶体管选型：依据目标频率范围、噪声系数和增益需求，挑选合适的分立晶体管。
- 原理图设计：基于应用场景，采用共发射极、共基极等结构，用分立元件搭建电路原理图。
- 仿真：使用SPICE等软件进行仿真，优化电路性能，确保满足预期指标。
- 原型制作：根据最终确定的原理图，在原型板或PCB上组装LNA。
- 测试与调谐：利用网络分析仪、频谱分析仪等测试设备测量LNA性能，微调元件参数以实现最优性能。
3、基于PCB的LNA设计
基于PCB的LNA常用于中等频率应用，能在性能和制造便捷性间取得平衡：
- 指标确定：清晰界定频率范围、增益、噪声系数、功耗等所需指标。
- 拓扑选择：结合应用需求和目标频率范围，选取合适的LNA拓扑，常见的有共源共栅、共源或分布式放大器。
- 元件选型：挑选满足指标、易于在PCB上实现的晶体管、电阻、电容等元件。
- PCB版图设计：考虑射频传输线、阻抗匹配网络并尽量减少寄生元件，进行PCB版图设计，可借助Altium Designer或EagleCAD等工具辅助设计。
- 仿真与原型制作：用仿真软件验证设计，随后在PCB上制作原型，通过网络分析仪和频谱分析仪验证性能。
- 微调：调整元件参数或版图参数，优化性能，确保LNA达到预期指标。
4、射频集成电路CMOS LNA设计
采用硅/CMOS技术的RFIC LNA用于高度集成、低功耗、具成本效益的应用场景：
- 工艺选择：依据目标频率范围、噪声系数需求和集成度，选取合适的硅/CMOS工艺。
- 电路设计：结合所选技术的具体特性设计LNA电路，CMOS LNA常采用共源或共栅结构。
- 版图设计与制造：考虑硅/CMOS工艺的复杂性进行电路版图设计，借助半导体代工厂服务完成集成电路制造。
- 制造后测试：利用射频测试设备对制造完成的芯片进行表征，测量增益、噪声系数、线性度、功耗等参数。
- 迭代优化：根据测试结果，反复优化设计，以达到预期性能指标。
Si/CMOS技术有集成方面的优势，能在同一个芯片上集成更多功能。但基于PCB的设计在特定频段和中等性能要求的情况下，灵活性更强，也更容易实现。到底选哪种设计方式，得在集成度、性能、成本和制造能力之间做权衡，这样才能适应特定的应用场景。
总结
归根结底，低噪声放大器在接收机中起着关键作用，它能将微弱的输入信号放大到可用电平，同时维持信号完整性。其以极低附加噪声进行放大的能力，对保障接收机的灵敏度和性能至关重要，有助于从周围电磁频谱中有效提取有价值的信息。
