低噪声放大器（LNA）

低噪声放大器 (LNA)一般应用于无线电接收机信号接收支路的前端，将接收到的微弱信号进行放大，以便后续处理。 LNA有着广泛的应用，如高灵敏度电子探测设备、雷达系统、近场通信、卫星通信卡等。

低噪声放大器 (LNA) 可有效放大信号，同时提供极低的噪声。LNA 用于射频接收器的前端，将接收天线发出的信号放大到一定水平，同时最大限度地减少噪声对接收机性能的影响。 因此，增益和噪声系数在 LNA 的设计中都很重要。 一般来说，最大增益的设计与最小噪声系数的设计不同。 LNA 设计的其他重要考虑因素是线性度，它决定了放大器在不失真的情况下容纳大信号、处理干扰、功耗以及与 LNA 输入和输出端口的外部电路或组件匹配的能力。 便携式设备中如手机终端等尤其需要低功耗。 尽管由于接收信号通常较弱，与 PA 相比，LNA 中的线性度不太受关注，但在 LNA 设计中也应考虑线性度，以避免可能出现的不需要的非线性效应，特别是当可能存在大输入信号时。

影响 LNA 的因素包括噪声系数 (NF)、增益、输入拐点损耗、稳定性、带宽和功耗。 由于放大器产生的噪声系数直接叠加在输入信号上，因此会严重干扰输入信号。 需要降低噪声、提高信噪比来提高抑制噪声的能力。 NF 定义为 ：

其中 SNRin 是输入信噪比，SNRout 是输出信噪比。 由于放大器的噪声水平不可能为零，因此输出噪声总是大于输入噪声。

图1，低噪声放大器电路和等效噪声模型；

连接到输入信号的LNA电路及其等效噪声模型如图1的a、b所示，其中AV是LNA的增益，

可以通过增加电路增益来降低电路的噪声系数，但这种方法通常会降低线性度。 由于LNA在大多数应用中对接收器的线性度影响不大，因此在设计中很少考虑其线性度。 低噪声放大器的输入反射损耗，即输入电阻的匹配程度，定义为反射功率与入射功率的比值。

其中RS为等效信号源阻抗，zin为LNA的等效输入阻抗，反射系数的单位可以用dB表示。 输入反射损耗越低越好，这就要求输入阻抗尽可能与源阻抗匹配。 LNA 在设计过程中通常会权衡噪声系数和功耗。

LNA的主要拓扑可分为共源、共栅和宽带拓扑。

随着CMOS技术的发展和高频性能的提高，未来LNA将向低功耗、高增益、宽带宽方向发展。

噪声系数的基础知识

我们通过考虑沉浸在噪声环境中的“噪声射频放大器”开始分析——把它完全作为一个简单的“噪声模型”，如图 2(a) 所示。 噪声模型由两个噪声组件组成：“噪声电阻”RN，代表来自所有外部元件和环境的放大器的输入噪声，以及实际的“噪声放大器”，其中包含放大器本身贡献的所有内部噪声。 请注意，ZL 是放大器的输出端接，不会影响（非端接）放大器本身的噪声。 端口 2 的总输出噪声功率（不考虑 ZL）由 RN 的输出噪声功率（即放大的输入噪声功率）和放大器本身产生的输出噪声功率组成。

图2，有噪声的射频放大器 (a) 及其等效电路 (b)。

由于这些噪声功率彼此独立，因此放大器的输出噪声功率是这些噪声功率的总和。 值得注意的是，在实践中，总是有外部噪声贡献给放大器，因此即使没有实际信号施加到放大器，放大器的输出端也存在噪声功率。 放大器的设计通常不关心这种噪声，而是关心放大器内部产生的噪声。 噪声电阻 RN 产生热噪声或约翰逊噪声电压，因此在电气上相当于具有与内部（理想）无噪声电阻 RNL 串联的噪声电压的发生器，如图 2(b) 所示。

电阻 RN 产生的（rms）噪声电压为：

其中 k=1.374 × 10^−23 J/K 是玻尔兹曼常数，T 是以开尔文 (K) 为单位的电阻器噪声温度 (K)，B 是以赫兹 (Hz) 为单位的噪声带宽，它是放大器工作的绝对 RF 带宽。 VN 取决于带宽，因此被视为“白噪声”。 RN 可以生成的最大可用噪声功率为

从上面的方程可以看出，在宽带宽上运行的放大器的固有输入噪声功率可能会足够大，从而显着降低放大器的噪声性能。

现在，我们将放大器的噪声系数或噪声系数定义为放大器相对于（固有）输出白噪声功率的归一化总输出噪声功率：

其中 PNi =kTB 是输入噪声功率，GA 是放大器的可用功率增益，定义为：

其中 PSi 和 PSo 分别是放大器输入和输出处的可用信号功率。 噪声系数通常以分贝（dB）为单位，为 10log F。需要注意的是，放大器的噪声系数本身表征了放大器的“噪声”，而与可能进入放大器的任何噪声（例如，来自 RN 的噪声）无关 。 上面的噪声系数公式表明，放大器的噪声系数随着增益的增加而降低，因此放大器应设计为具有高增益，以降低其噪声系数。 请注意，正如我们稍后将看到的，一般而言，最大增益并不对应于最小噪声系数，因此应相对地考虑上面的噪声系数公式所示的含义。 上面的噪声系数公式中定义的噪声系数可以重写为：

信噪比 (S/N，signal-to-noise ratio) 是一个常用术语，用于比较电子元件或系统中特定位置处信号相对于噪声功率的相对强度。 对于 LNA，噪声系数是除增益之外的两个最重要的指标之一。 噪声系数对于混频器和射频系统等其他射频组件也很重要。 从上面的方程可以推断，它对于 LNA（特别是 LNA）和一般的其他 RF 组件/系统来说是一个重要的“FOM”，并且用于表示器件、组件或系统的 S/N 可能下降 。 如果器件、组件或系统没有噪声，则 F=1 或 0 dB，输出噪声以及信噪比完全取决于驱动器件、组件或系统的源、外部元件和环境 。 还需要注意的是，图 2 也可用于表示其他有噪声的两端口（或多端口）RF 组件或子系统，例如接收机，因此可以类似地进行它们的噪声分析。

互补金属氧化物硅 (CMOS) RF 放大器或任何噪声双端口有源 RFIC 的噪声系数由三个噪声源贡献，每个噪声源均考虑由等效噪声电阻器产生的热噪声，包括：噪声源由电阻 RN 表示， 所用 MOSFET 的栅极和漏极噪声。 该噪声系数可推导出为：

其中 rn ≡ RN∕Zo 是归一化噪声电阻，Zo 是放大器的终端阻抗，通常为 50 Ω，ys ≡ YS∕Yo = gs + jbs 是归一化源导纳，其中 Yo = 1∕Zo，并且 yso ≡ YSo∕Yo = gso + jbso 为最小噪声系数 Fmin 对应的归一化最佳源导纳； 即当YS=YSo时，F=Fmin。 导纳 YS 和 YSo 是从器件输入端观察源的导纳，与各自的反射系数 ГS 和 ГSo 相关，如下面的图 3所示：

图3，射频放大器的典型框图。 S 参数块用于表示晶体管 (MOSFET)。

将上面的方程分别代入化简后，我们得到：

上面的方程中rn、Fmin、ΓSo（或 YSo）被称为 MOSFET 的噪声参数，可以测量或计算。 对于复杂的器件来说，这些参数的计算是计算密集型的，并且需要器件物理和几何形状的精确参数。 因此，在实践中，它们通常是通过设备的测量来获得的。 测量值通常是准确的，并且可以通过改变源导纳 YS（使用阻抗调谐器）并测量相应的 F、YS、Fmin 和 YSo，并将测量数据拟合到某些方程以确定 rn 来获得。 噪声参数通常由 CMOS 代工厂或晶体管制造商提供。 对于给定的 MOSFET，可以在特定频率下获得这些参数，并且可以从中确定 ΓS 或 YS 并用于设计 IMN。 噪声系数取决于给定器件的频率，但一般来说，2 至 3 dB 的噪声系数对于 RF 放大器来说非常合适，具体要求取决于工作频率。

图4，带噪的 M 端口网络 (a) 及其等效网络 (b)。

特别值得注意的是，通过在未使用的端口处进行适当的端接，可以将带噪的 M 端口网络减少为带噪的两端口网络，如图 4所示。 因此，可以与针对两端口网络所描述的分析类似地执行所得到的两端口网络的噪声分析，其中未使用的端口被正确地端接并且由这些端接产生的噪声被正确地考虑在内。 内部噪声是整个终端网络产生的噪声； 也就是说，来自两个端口之间的元素以及来自其他端口的元素，包括连接到这两个端口的未使用端口的终端。 与双端口情况一样，外部噪声贡献是来自所有外部元件和环境的输入端口的噪声。 因此，可以通过简单地扩展两端口分析来执行混频器等多端口射频有源组件的噪声分析。