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| 低噪声放大器 | |
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低噪声放大器，噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。[1]
基本信息
中文名 低噪声放大器 [2]
外文名 low noise amplifier
作用 输出信噪比等于输入信噪比
用途 无线电接收器
简介
噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示。
理想放大器的噪声系数 F=1(0分贝)，其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管;微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器，常温 参放的噪声 温度Te可低于几十度(绝对温度)，致冷参量放大器可达20K以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于 2 分贝。
放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极基联的低噪声放大电路。
正文
在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F(见放大)来表示或用取对数值的噪声系数FN表示FN=10lgF(dB)
理想放大器的噪声系数F=1(0分贝),其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。设计良好的低噪声放大器的FN可达3分贝以下。在噪声系数很低的场合,通常也用噪声温度Te作为放大器噪声性能的量度:Te=T0(F-1)。式中T0为室温。在这里，它和噪声温度Te的单位都是开尔文(K)。
多级放大器的噪声系数F主要取决于它的前置级。若F1，F2，…，Fn依次为各级放大器的噪声系数，则式中A1,…，An-1依次为各级放大器的功率增益。前置级的增益A1越大,则其后各级放大器对总噪声系数F的影响越小。
单级放大器的噪声系数主要取决于所用的有源器件及其工作状态。现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管;微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器，常温参放的噪声温度Tθ可低于几十度(绝对温度)，致冷参量放大器可达20K以下。砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于2分贝。
晶体管的自身噪声由下列四部分组成。①闪烁噪声，其功率谱密度随频率f的降低而增加，因此也叫作1/f噪声或低频噪声。频率很低时这种噪声较大，频率较高时(几百赫以上)这种噪声可以忽略。②基极电阻rb'b的热噪声和。③散粒噪声，这两种噪声的功率谱密度基本上与频率无关。
④分配噪声，其强度与f的平方成正比，当f高于晶体管的截止频率时,这种噪声急剧增加。图1是晶体管噪声系数F随频率变化的曲线。对于低频，特别是超低频低噪声放大器,应选用1/f噪声小的晶体管;对于中、高频放大，则应尽量选用高的晶体管，使其工作频率范围位于噪声系数-频率曲线的平坦部分。
场效应晶体管没有散粒噪声。在低频时主要是闪烁噪声，频率较高时主要是沟道电阻所产生的热噪声。通常它的噪声比晶体管的小，可用于频率高得多的低噪声放大器。
放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。图2是考虑了自身噪声的放大器模型。us和Rs分别为信源电压和内阻,Rs的热噪声电压均方值等于4kTRs墹f，式中T为绝对温度，k为玻耳兹曼常数，墹f为放大器通带。放大器自身噪声用噪声电压均方值和噪声电流均方
值表示，它们是晶体管工作状态的函数，可以用适当方法来测量。这样，放大器的噪声系数F可写作放大管的直流工作点一旦确定,和亦随之确定，这样，噪声系数F将主要是信源内阻Rs的函数。Rs有一使F为最小的最佳值。
在工作频率和信源内阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直流工作点有关。发射极电流IE有一使噪声系数最小的最佳值,典型的F-IE曲线如图4所示。
晶体管放大器的噪声系数基本上与电路组态无关。但共发射极放大器具有适中的输入电阻，F为最小时的最佳信源电阻Rs和此输入电阻比较接近，输入电路大体上处于匹配状态，增益较大。共基极放大器的输入电阻小，共集电极放大器的输入阻抗高，两者均不易同时满足噪声系数小和放大器增益高的条件，所以都不太适于作放大键前置级之用。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极-共基极级联的低噪声放大电路。
产品信息
应用
噪声放大器(LNA)主要面向移动通信基础设施基站应用，例如收发器无线通信卡、塔顶放大器(TMA)、组合器、中继器以及远端/数字无线宽带头端设备等应用设计，并为低噪声指数(NF, Noise Figure)立下了新标竿。
目前无线通信基础设施产业正面临必须在拥挤的频谱内提供最佳信号质量和覆盖度的挑战，接收器灵敏度是基站接收路径设计中最关键的要求之一，合适的LNA选择，特别是第一级LNA可以大幅度改善基站接收器的灵敏度表现，低噪声指数也是关键的设计目标，Avago提供了1900MHz下0.48dB同级产品最佳的噪声指数。
另一个关键设计为线性度，它影响了接收器分辨紧密接近信号和假信号分别的能力，三阶截点OIP3可以用来定义线性度，在1900MHz和5V/51mA的典型工作条件下，Avago特有的GaAs增强模式pHEMT工艺技术可以带来0.48dB的噪声指数和35dBm的OIP3，在2500MHz和5V/56mA的典型工作条件下，噪声指数为0.59dB，OIP3则为35dBm。
通过低噪声指数和高OIP3，这些Avago的新低噪声放大器可以提供基站接收器路径比现有放大器产品更大的设计空间。
可调整能力和共通引脚安排带来设计优化和灵活度
电源
内置有源偏压电路，Avago低噪声放大器的工作电流可以调整，使设计工程师可以在工作功耗和输出线性度间进行取舍，通过OIP3的测量并维持最佳的噪声指数，基站设计工程师可以拥有使用相同Avago低噪声放大器满足各种设计需求和不同地区要求的灵活度。
由于必须在发射和接收电路卡中加入更多的通信频道，印刷电路板的空间也成为基站设计工程师所面临的另一项关键设计挑战，Avago选用了小型4 mm2的QFN封装来满足这个市场需求，这两款新低噪声放大器采用和Avago现有900MHz低噪声放大器MGA-633P8相同的封装尺寸、引脚安排和外部匹配电路，可以在不同频带工作的所有基站射频前端设计上使用共通的印刷电路板设计，减少为不同频带和地区市场提供基站解决方案时所需要的印刷电路板设计数量。
关键功能
·1500MHz到2300MHz工作
同级最佳噪声指数(NF):0.48dB @ 1900MHz
35dBm OIP3
17.8dB增益
21dBm P1dB @ 1900MHz
·2300MHz到4000MHz工作
低噪声指数(NF):0.59dB @ 2500MHz
35dBm OIP3
17.5dB增益
22dBm P1dB @ 2500MHz
·单一5V电源，低功耗
典型51mA (1500MHz - 2300MHz)
典型56mA (2300MHz - 4000MHz)
·器件采共通引脚安排和匹配电路
简化印刷电路板设计和生产
·采用特有工艺:0.25μm GaAs增强模式pHEMT
封装和温度范围
这两款低噪声放大器采用2.0 x 2.0 x 0.85 mm大小，符合RoHS要求的8引脚表面贴装QFN封装供货，所有器件都可以在-40oC到+85oC的宽广温度范围下工作。
原理
地球站的品质因数(G/T)主要取决于天线和低噪声放大器(LNA)的性能。接收系统的噪声温度Ts是指折算到LNA输入端的系统等效噪声温度，它主要由天线噪声温度TA、馈线损耗LALA和低噪声接收机噪声三个部分组成，如图所示。
因此Ts之值为
Tss==Te ++ TaTA/LaA ++(1 -- 1/LaLA)To
式中:
TsTs为接收系统噪声温度
To为接收系统折算到LNA输入端的等效噪声温度
TaTA为天线噪声温度
LaLAA为馈线损耗(真值)
To 为环境温度(To==293K)
可以算出，当馈线损耗增大0.1dB时，系统噪声温度就要增加约6.7K。可见馈线损耗对系统噪声温度影响极大，故馈线要尽可能短。实际上地球站的LNA往往直接安装在馈源尾端的机舱中。
应用
LNA经历了早期液氦致冷的参量放大器、常温参量放大器的发展过程，随着现代科学技术的高速发展，近几年已被微波场效应晶体管放大器所取代，此种放大器具有尺寸小、重量轻和成本低的优异特性。特别是在射频特性方面具有低噪声、宽频带和高增益的特点。在C、Ku、Kv 等频段中已被广泛的使用，目前常用的低噪声放大器的噪声温度可低于45K。