LNA设计学习资料

5G通信射频有源无源 2022-08-16 00:00

随着无线通信事业的发展,行业对于射频前端方案的性能关注越来越多


LNA(Low Noise Amplifier, 低噪声功率放大器)作为Receiver的第一级有源模块,其对接收机系统的性能有着非常重要的影响。



01

噪声的基本理论


LNA的性能和噪声的机理密切相关,其实主要是LNA内部的器件容易受到噪声影响。


通信射频电路中通常的噪声来源主要分为以下几种:

1.1
 热噪声


热噪声的引入通常是导体电荷布朗运动的结果,并且这种运动会随着温度的上升而加剧,电荷的随机运动引发了随机的电压。


这种噪声过程是随机的,所以物理上通常用统计方法来描述热噪声,热噪声的均方噪声电压可以用下式来描述:


可以用等效戴维宁定理来对热噪声进行等效建模如下图所示,就是一个无噪声电阻上串联一个均方值为  的噪声电压源:


由于导体中的电子数目巨大,其随机运动又是相互统计独立的,因此根据中心极限定理可知,热噪声是零均值的高斯分布。


1.2
散弹噪声(Shot Noise)


散弹噪声产生的根本原因是电子电荷具有粒子性。


产生散弹噪声需要满足以下两个条件:


  1. 必须要有直流电流通过;

  2. 必须存在电荷载体跃过的电位壁垒,所以通常使用的线性电阻并不产生散弹噪声。


电荷呈离散束导致了每当电子跃过一个能量势垒时就会产生不连续的电流脉冲,正是由于电子到达时间的随机性所以造成了散弹噪声的全频带特性(白噪声特性)。


散弹噪声的电流均方根可以表示为:

对存在电位壁垒的要求意味着散弹噪声只与非线性器件有关,但并不是所有非线性器件都会出现散弹噪声。在BJT中由于出现了两个PN结,所以基极电流和集电极电流都可能成为噪声来源,但是在FET中只有栅漏电流才会引起散弹噪声,但是这个电流非常小,所以它并不是一个显著的噪声源。

1.3
闪烁噪声

闪烁噪声又被称为1/f噪声,它虽然非常普遍,却没有一个普遍适用的机理,这种噪声的特点是噪声功率密度谱随频率的增加而减小,它的经验数学表达式为:


02

LNA相关参数


低噪声放大器(LNA)位于射频接收机的前端,是接收机的第一级有源电路。


由级联系统的噪声可以知道,第一级电路的噪声系数会直接加到系统的总噪声系数上,所以LNA的噪声系数需要设计得尽可能低;


同时为了提高接收机的接收灵敏度,LNA需要提高足够大的增益;


另外,为了减少信号放大过程中的失真,LNA需要有良好的线性度;


而且通常LNA和天线之间会有一个视频无源滤波器(通常为SAW或者BAW)进行滤波,该滤波器的性能对于它的负载阻抗非常敏感


所以为了得到良好的滤波特性,LNA的输入阻抗应该匹配到前级滤波器的输出阻抗,通常为50欧姆


如下图史密斯圆图Z0位置:

2.1
噪声系数


噪声系数通常用于衡量一个电路和或者系统内部噪声大小,它通常用于比较不同电路或者系统噪声性能的好坏。


噪声系数的定义如下:

由于放大器本身有噪声,输出端的信噪比和输入端信噪比是不一样的


为此,使用噪声系数来衡量放大器本身的噪声水平。


该系数表征放大器的噪声性能恶化程度的一个参量,并不是越大越好,它的值越大,说明在传输过程中掺入的噪声也就越大,反映了器件或者信道特性的不理想。


通常噪声系数和温度有关,温度越高,噪声系数越大。


2.2
增益


增益是低噪声放大器的一个重要指标,低噪声放大器若有较大的增益值不仅可以放大信号还能很好地抑制后级电路模块噪声


但是如果增益值过大,那么后级电路模块的线性度就要求很高,否则可能会出现信号饱和现象从而导致信号失真。


单级的LNA典型增益通常在10~20dB之间。


2.3
输入输出匹配


在实际的射频系统中,低噪声放大器的前级一般是一个高性能的片外预选射频滤波器,它的输出端口与LNA是输入端口连接,为了实现最大功率传输,LNA的输入阻抗需要匹配到50Ω。


如果LNA的输入阻抗偏离50Ω,阻抗不匹配,将会产生两个后果:


1. 产生功率反射,这会影响到LNA接收到的信号的功率大小;

2. 可能会恶化前级射频滤波器的性能,从而使得系统性能恶化;


2.4
线性度


学习过模电的小伙伴应该对晶体管的特性比较熟悉,放大电路的输出特性曲线会随着晶体管的静态设置点的变化而变化,这就是来源于晶体管这种器件的非线性性。


我们都期待放大电路是理想线性的,即无论输入功率多大,输出功率都是线性增加的(增益是恒定不变的)。


但是事实上,并没有理想线性的放大器,也就是随着输入功率的增大,输入功率可能不会随着线性增大。


如下图,当输入功率较低时,此时的增益接近于线性增益。


随着输入功率的不断增大,输出功率近似线性增加,增大到一定程度,非线性越来越明显,导致增益压缩,输出功率增长速度放缓,最后逐步趋于饱和稳定,输入、输出功率之间的关系如下图所示:

首先需要明确的是,这是输入、输出功率的对数表示,因此理想线性放大器的曲线斜率为1,如图中虚线所示。


实线表征的是放大器实际输入、输出功率之间的关系,随着输入功率的增大,输出功率增大得速度变慢,越来越偏离理想的曲线,增益逐步变低,这就是增益压缩效应。


放大器等有源器件通常关注实际增益比线性增益跌落1dB的位置,称之为1dB增益压缩点,该点对应的输入、输出功率一般分别标记为P1dB,in 和P1dB,out 。


1dB增益压缩点越高越好,两个放大器相比较,谁的压缩点越高,意味着谁的线性度越好。


无线通信系统中,信号通常都具有一定的带宽,如果总功率接近于1dB压缩点,则放大器非线性越趋于明显,就会产生比较强的谐波、交调产物,从而对邻带或带内造成干扰。


因此,非线性失真是放大器设计中一个非常重要的考量因素。


所以Pi(1dB)点是衡量线性度很重要的一个参数。


除此之外,TOI(Third-order Intercept)/IP3点也是衡量线性度的一个重要参数。它主要表征的是器件谐波和互调信号对于线性度的影响。



2.5
反向隔离度


反向隔离度表征LNA输入端口和输出端口之间的反向隔离性能,在数值上定义为信号从输出端口到达输入端口的衰减值,一般用S参数中的S12来表示。


信号从输出端口到输入端口的衰减值越大,表明它的单向性能越好,反向隔离度越好。


良好的隔离度可以有效地抑制从混频器通过低噪声放大器泄露到天线的本振信号,防止较大的本振信号从天线辐射到空间,形成其他通信系统的干扰信号。


另外,良好的隔离度还可以降低电路设计难度,使LNA的设计近似为单向化设计,设计输入匹配电路时不用考虑输出匹配电路对它的影响,设计输出匹配电路时亦然。


LNA的反向隔离度受密勒效应和寄生电容的影响较大,一般采用cascode结构来提高它的反向隔离性能。


03

LNA实例


下面以NXP公司的BGS8H2(2300MHz~2690MHz)这款LNA为例讲解一下LNA的规格。


这是一款适用于LTE高频频段的LNA,通常为了防止信号过大导致信号后级电路饱和失真,LNA会有两种模式:


增益模式(Gain Mode)/旁路模式(Bypass Mode)


下图是它的模块框图:

可以看出LNA有一个CTRL_Pin,该Pin可以通过SOC或者RFIC控制LNA的模式。


以下是该LNA的基本技术指标,这个就像是一个产品的包装,一开始给选型厂家一个基本印象:


LNA的规格书中还会给出该器件在不同的情况下的参数:

以及推荐的匹配和推荐的工作条件:

这样就方便了工程师的调试和设计。


☆ END ☆

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