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| 低噪聲放大器 | |
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低噪聲放大器，噪聲係數很低的放大器。一般用作各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測設備的放大電路。在放大微弱信號的場合，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。[1]
基本信息
中文名 低噪聲放大器 [2]
外文名 low noise amplifier
作用 輸出信噪比等於輸入信噪比
用途 無線電接收器
簡介
噪聲係數很低的放大器。一般用作各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測設備的放大電路。在放大微弱信號的場合，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。由放大器所引起的信噪比惡化程度通常用噪聲係數F來表示。
理想放大器的噪聲係數 F=1(0分貝)，其物理意義是輸出信噪比等於輸入信噪比。現代的低噪聲放大器大多採用晶體管、場效應晶體管;微波低噪聲放大器則採用變容二極管參量放大器，常溫 參放的噪聲 溫度Te可低於幾十度(絕對溫度)，致冷參量放大器可達20K以下，砷化鎵場效應晶體管低噪聲微波放大器的應用已日益廣泛，其噪聲係數可低於 2 分貝。
放大器的噪聲係數還與晶體管的工作狀態以及信源內阻有關。為了兼顧低噪聲和高增益的要求，常採用共發射極一共基極基聯的低噪聲放大電路。
正文
在放大微弱信號的場合，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。由放大器所引起的信噪比惡化程度通常用噪聲係數F(見放大)來表示或用取對數值的噪聲係數FN表示FN=10lgF(dB)
理想放大器的噪聲係數F=1(0分貝),其物理意義是輸出信噪比等於輸入信噪比。設計良好的低噪聲放大器的FN可達3分貝以下。在噪聲係數很低的場合,通常也用噪聲溫度Te作為放大器噪聲性能的量度:Te=T0(F-1)。式中T0為室溫。在這裡，它和噪聲溫度Te的單位都是開爾文(K)。
多級放大器的噪聲係數F主要取決於它的前置級。若F1，F2，…，Fn依次為各級放大器的噪聲係數，則式中A1,…，An-1依次為各級放大器的功率增益。前置級的增益A1越大,則其後各級放大器對總噪聲係數F的影響越小。
單級放大器的噪聲係數主要取決於所用的有源器件及其工作狀態。現代的低噪聲放大器大多採用晶體管、場效應晶體管;微波低噪聲放大器則採用變容二極管參量放大器，常溫參放的噪聲溫度Tθ可低於幾十度(絕對溫度)，致冷參量放大器可達20K以下。砷化鎵場效應晶體管低噪聲微波放大器的應用已日益廣泛，其噪聲係數可低於2分貝。
晶體管的自身噪聲由下列四部分組成。①閃爍噪聲，其功率譜密度隨頻率f的降低而增加，因此也叫作1/f噪聲或低頻噪聲。頻率很低時這種噪聲較大，頻率較高時(幾百赫以上)這種噪聲可以忽略。②基極電阻rb'b的熱噪聲和。③散粒噪聲，這兩種噪聲的功率譜密度基本上與頻率無關。
④分配噪聲，其強度與f的平方成正比，當f高於晶體管的截止頻率時,這種噪聲急劇增加。圖1是晶體管噪聲係數F隨頻率變化的曲線。對於低頻，特別是超低頻低噪聲放大器,應選用1/f噪聲小的晶體管;對於中、高頻放大，則應儘量選用高的晶體管，使其工作頻率範圍位於噪聲係數-頻率曲線的平坦部分。
場效應晶體管沒有散粒噪聲。在低頻時主要是閃爍噪聲，頻率較高時主要是溝道電阻所產生的熱噪聲。通常它的噪聲比晶體管的小，可用於頻率高得多的低噪聲放大器。
放大器的噪聲係數還與晶體管的工作狀態以及信源內阻有關。圖2是考慮了自身噪聲的放大器模型。us和Rs分別為信源電壓和內阻,Rs的熱噪聲電壓均方值等於4kTRs墹f，式中T為絕對溫度，k為玻耳茲曼常數，墹f為放大器通帶。放大器自身噪聲用噪聲電壓均方值和噪聲電流均方
值表示，它們是晶體管工作狀態的函數，可以用適當方法來測量。這樣，放大器的噪聲係數F可寫作放大管的直流工作點一旦確定,和亦隨之確定，這樣，噪聲係數F將主要是信源內阻Rs的函數。Rs有一使F為最小的最佳值。
在工作頻率和信源內阻均給定的情況下，噪聲係數也和晶體管直流工作點有關。發射極電流IE有一使噪聲係數最小的最佳值,典型的F-IE曲線如圖4所示。
晶體管放大器的噪聲係數基本上與電路組態無關。但共發射極放大器具有適中的輸入電阻，F為最小時的最佳信源電阻Rs和此輸入電阻比較接近，輸入電路大體上處於匹配狀態，增益較大。共基極放大器的輸入電阻小，共集電極放大器的輸入阻抗高，兩者均不易同時滿足噪聲係數小和放大器增益高的條件，所以都不太適於作放大鍵前置級之用。為了兼顧低噪聲和高增益的要求，常採用共發射極-共基極級聯的低噪聲放大電路。
產品信息
應用
噪聲放大器(LNA)主要面向移動通信基礎設施基站應用，例如收發器無線通信卡、塔頂放大器(TMA)、組合器、中繼器以及遠端/數字無線寬帶頭端設備等應用設計，並為低噪聲指數(NF, Noise Figure)立下了新標竿。
目前無線通信基礎設施產業正面臨必須在擁擠的頻譜內提供最佳信號質量和覆蓋度的挑戰，接收器靈敏度是基站接收路徑設計中最關鍵的要求之一，合適的LNA選擇，特別是第一級LNA可以大幅度改善基站接收器的靈敏度表現，低噪聲指數也是關鍵的設計目標，Avago提供了1900MHz下0.48dB同級產品最佳的噪聲指數。
另一個關鍵設計為線性度，它影響了接收器分辨緊密接近信號和假信號分別的能力，三階截點OIP3可以用來定義線性度，在1900MHz和5V/51mA的典型工作條件下，Avago特有的GaAs增強模式pHEMT工藝技術可以帶來0.48dB的噪聲指數和35dBm的OIP3，在2500MHz和5V/56mA的典型工作條件下，噪聲指數為0.59dB，OIP3則為35dBm。
通過低噪聲指數和高OIP3，這些Avago的新低噪聲放大器可以提供基站接收器路徑比現有放大器產品更大的設計空間。
可調整能力和共通引腳安排帶來設計優化和靈活度
電源
內置有源偏壓電路，Avago低噪聲放大器的工作電流可以調整，使設計工程師可以在工作功耗和輸出線性度間進行取捨，通過OIP3的測量並維持最佳的噪聲指數，基站設計工程師可以擁有使用相同Avago低噪聲放大器滿足各種設計需求和不同地區要求的靈活度。
由於必須在發射和接收電路卡中加入更多的通信頻道，印刷電路板的空間也成為基站設計工程師所面臨的另一項關鍵設計挑戰，Avago選用了小型4 mm2的QFN封裝來滿足這個市場需求，這兩款新低噪聲放大器採用和Avago現有900MHz低噪聲放大器MGA-633P8相同的封裝尺寸、引腳安排和外部匹配電路，可以在不同頻帶工作的所有基站射頻前端設計上使用共通的印刷電路板設計，減少為不同頻帶和地區市場提供基站解決方案時所需要的印刷電路板設計數量。
關鍵功能
·1500MHz到2300MHz工作
同級最佳噪聲指數(NF):0.48dB @ 1900MHz
35dBm OIP3
17.8dB增益
21dBm P1dB @ 1900MHz
·2300MHz到4000MHz工作
低噪聲指數(NF):0.59dB @ 2500MHz
35dBm OIP3
17.5dB增益
22dBm P1dB @ 2500MHz
·單一5V電源，低功耗
典型51mA (1500MHz - 2300MHz)
典型56mA (2300MHz - 4000MHz)
·器件采共通引腳安排和匹配電路
簡化印刷電路板設計和生產
·採用特有工藝:0.25μm GaAs增強模式pHEMT
封裝和溫度範圍
這兩款低噪聲放大器採用2.0 x 2.0 x 0.85 mm大小，符合RoHS要求的8引腳表面貼裝QFN封裝供貨，所有器件都可以在-40oC到+85oC的寬廣溫度範圍下工作。
原理
地球站的品質因數(G/T)主要取決於天線和低噪聲放大器(LNA)的性能。接收系統的噪聲溫度Ts是指折算到LNA輸入端的系統等效噪聲溫度，它主要由天線噪聲溫度TA、饋線損耗LALA和低噪聲接收機噪聲三個部分組成，如圖所示。
因此Ts之值為
Tss==Te ++ TaTA/LaA ++(1 -- 1/LaLA)To
式中:
TsTs為接收系統噪聲溫度
To為接收系統折算到LNA輸入端的等效噪聲溫度
TaTA為天線噪聲溫度
LaLAA為饋線損耗(真值)
To 為環境溫度(To==293K)
可以算出，當饋線損耗增大0.1dB時，系統噪聲溫度就要增加約6.7K。可見饋線損耗對系統噪聲溫度影響極大，故饋線要儘可能短。實際上地球站的LNA往往直接安裝在饋源尾端的機艙中。
應用
LNA經歷了早期液氦致冷的參量放大器、常溫參量放大器的發展過程，隨着現代科學技術的高速發展，近幾年已被微波場效應晶體管放大器所取代，此种放大器具有尺寸小、重量輕和成本低的優異特性。特別是在射頻特性方面具有低噪聲、寬頻帶和高增益的特點。在C、Ku、Kv 等頻段中已被廣泛的使用，目前常用的低噪聲放大器的噪聲溫度可低於45K。