噪聲的基本理論

隨著無線通信事業(yè)的發(fā)展，行業(yè)對于射頻前端方案的性能關(guān)注越來越多

LNA（Low Noise Amplifier, 低噪聲功率放大器）作為Receiver的第一級有源模塊，其對接收機系統(tǒng)的性能有著非常重要的影響。

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噪聲的基本理論

LNA的性能和噪聲的機理密切相關(guān)，其實主要是LNA內(nèi)部的器件容易受到噪聲影響。

通信射頻電路中通常的噪聲來源主要分為以下幾種：

1.1 熱噪聲

熱噪聲的引入通常是導體電荷布朗運動的結(jié)果，并且這種運動會隨著溫度的上升而加劇，電荷的隨機運動引發(fā)了隨機的電壓。

這種噪聲過程是隨機的，所以物理上通常用統(tǒng)計方法來描述熱噪聲，熱噪聲的均方噪聲電壓可以用下式來描述：

可以用等效戴維寧定理來對熱噪聲進行等效建模如下圖所示，就是一個無噪聲電阻上串聯(lián)一個均方值為??的噪聲電壓源：

由于導體中的電子數(shù)目巨大，其隨機運動又是相互統(tǒng)計獨立的，因此根據(jù)中心極限定理可知，熱噪聲是零均值的高斯分布。

1.2 散彈噪聲（Shot Noise）

散彈噪聲產(chǎn)生的根本原因是電子電荷具有粒子性。

產(chǎn)生散彈噪聲需要滿足以下兩個條件：

必須要有直流電流通過；

必須存在電荷載體躍過的電位壁壘，所以通常使用的線性電阻并不產(chǎn)生散彈噪聲。

電荷呈離散束導致了每當電子躍過一個能量勢壘時就會產(chǎn)生不連續(xù)的電流脈沖，正是由于電子到達時間的隨機性所以造成了散彈噪聲的全頻帶特性（白噪聲特性）。

散彈噪聲的電流均方根可以表示為：

對存在電位壁壘的要求意味著散彈噪聲只與非線性器件有關(guān)，但并不是所有非線性器件都會出現(xiàn)散彈噪聲。在BJT中由于出現(xiàn)了兩個PN結(jié)，所以基極電流和集電極電流都可能成為噪聲來源，但是在FET中只有柵漏電流才會引起散彈噪聲，但是這個電流非常小，所以它并不是一個顯著的噪聲源。

1.3 閃爍噪聲

閃爍噪聲又被稱為1/f噪聲，它雖然非常普遍，卻沒有一個普遍適用的機理，這種噪聲的特點是噪聲功率密度譜隨頻率的增加而減小，它的經(jīng)驗數(shù)學表達式為：

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LNA相關(guān)參數(shù)

低噪聲放大器（LNA）位于射頻接收機的前端，是接收機的第一級有源電路。

由級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲可以知道，第一級電路的噪聲系數(shù)會直接加到系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)上，所以LNA的噪聲系數(shù)需要設(shè)計得盡可能低；

同時為了提高接收機的接收靈敏度，LNA需要提高足夠大的增益；

另外，為了減少信號放大過程中的失真，LNA需要有良好的線性度；

而且通常LNA和天線之間會有一個視頻無源濾波器（通常為SAW或者BAW）進行濾波，該濾波器的性能對于它的負載阻抗非常敏感

所以為了得到良好的濾波特性，LNA的輸入阻抗應該匹配到前級濾波器的輸出阻抗，通常為50歐姆

如下圖史密斯圓圖Z0位置：

2.1 噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)通常用于衡量一個電路和或者系統(tǒng)內(nèi)部噪聲大小，它通常用于比較不同電路或者系統(tǒng)噪聲性能的好壞。

噪聲系數(shù)的定義如下：

由于放大器本身有噪聲，輸出端的信噪比和輸入端信噪比是不一樣的

為此，使用噪聲系數(shù)來衡量放大器本身的噪聲水平。

該系數(shù)表征放大器的噪聲性能惡化程度的一個參量，并不是越大越好，它的值越大，說明在傳輸過程中摻入的噪聲也就越大，反映了器件或者信道特性的不理想。

通常噪聲系數(shù)和溫度有關(guān)，溫度越高，噪聲系數(shù)越大。

2.2 增益

增益是低噪聲放大器的一個重要指標，低噪聲放大器若有較大的增益值不僅可以放大信號還能很好地抑制后級電路模塊噪聲

但是如果增益值過大，那么后級電路模塊的線性度就要求很高，否則可能會出現(xiàn)信號飽和現(xiàn)象從而導致信號失真。

單級的LNA典型增益通常在10~20dB之間。

2.3 輸入輸出匹配

在實際的射頻系統(tǒng)中，低噪聲放大器的前級一般是一個高性能的片外預選射頻濾波器，它的輸出端口與LNA是輸入端口連接，為了實現(xiàn)最大功率傳輸，LNA的輸入阻抗需要匹配到50Ω。

如果LNA的輸入阻抗偏離50Ω，阻抗不匹配，將會產(chǎn)生兩個后果：

1. 產(chǎn)生功率反射，這會影響到LNA接收到的信號的功率大?。?/p>

2. 可能會惡化前級射頻濾波器的性能，從而使得系統(tǒng)性能惡化；

2.4 線性度

學習過模電的小伙伴應該對晶體管的特性比較熟悉，放大電路的輸出特性曲線會隨著晶體管的靜態(tài)設(shè)置點的變化而變化，這就是來源于晶體管這種器件的非線性性。

我們都期待放大電路是理想線性的，即無論輸入功率多大，輸出功率都是線性增加的（增益是恒定不變的）。

但是事實上，并沒有理想線性的放大器，也就是隨著輸入功率的增大，輸入功率可能不會隨著線性增大。

如下圖，當輸入功率較低時，此時的增益接近于線性增益。

隨著輸入功率的不斷增大，輸出功率近似線性增加，增大到一定程度，非線性越來越明顯，導致增益壓縮，輸出功率增長速度放緩，最后逐步趨于飽和穩(wěn)定，輸入、輸出功率之間的關(guān)系如下圖所示：

首先需要明確的是，這是輸入、輸出功率的對數(shù)表示，因此理想線性放大器的曲線斜率為1，如圖中虛線所示。

實線表征的是放大器實際輸入、輸出功率之間的關(guān)系，隨著輸入功率的增大，輸出功率增大得速度變慢，越來越偏離理想的曲線，增益逐步變低，這就是增益壓縮效應。

放大器等有源器件通常關(guān)注實際增益比線性增益跌落1dB的位置，稱之為1dB增益壓縮點，該點對應的輸入、輸出功率一般分別標記為P1dB,in 和P1dB,out 。

1dB增益壓縮點越高越好，兩個放大器相比較，誰的壓縮點越高，意味著誰的線性度越好。

無線通信系統(tǒng)中，信號通常都具有一定的帶寬，如果總功率接近于1dB壓縮點，則放大器非線性越趨于明顯，就會產(chǎn)生比較強的諧波、交調(diào)產(chǎn)物，從而對鄰帶或帶內(nèi)造成干擾。

因此，非線性失真是放大器設(shè)計中一個非常重要的考量因素。

所以Pi（1dB）點是衡量線性度很重要的一個參數(shù)。

除此之外，TOI（Third-order Intercept）/IP3點也是衡量線性度的一個重要參數(shù)。它主要表征的是器件諧波和互調(diào)信號對于線性度的影響。

2.5 反向隔離度

反向隔離度表征LNA輸入端口和輸出端口之間的反向隔離性能，在數(shù)值上定義為信號從輸出端口到達輸入端口的衰減值，一般用S參數(shù)中的S12來表示。

信號從輸出端口到輸入端口的衰減值越大，表明它的單向性能越好，反向隔離度越好。

良好的隔離度可以有效地抑制從混頻器通過低噪聲放大器泄露到天線的本振信號，防止較大的本振信號從天線輻射到空間，形成其他通信系統(tǒng)的干擾信號。

另外，良好的隔離度還可以降低電路設(shè)計難度，使LNA的設(shè)計近似為單向化設(shè)計，設(shè)計輸入匹配電路時不用考慮輸出匹配電路對它的影響，設(shè)計輸出匹配電路時亦然。

LNA的反向隔離度受密勒效應和寄生電容的影響較大，一般采用cascode結(jié)構(gòu)來提高它的反向隔離性能。

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LNA實例

下面以NXP公司的BGS8H2（2300MHz~2690MHz）這款LNA為例講解一下LNA的規(guī)格。

這是一款適用于LTE高頻頻段的LNA，通常為了防止信號過大導致信號后級電路飽和失真，LNA會有兩種模式：

增益模式（Gain Mode）/旁路模式（Bypass Mode）

下圖是它的模塊框圖：

可以看出LNA有一個CTRL_Pin，該Pin可以通過SOC或者RFIC控制LNA的模式。

以下是該LNA的基本技術(shù)指標，這個就像是一個產(chǎn)品的包裝，一開始給選型廠家一個基本印象：

LNA的規(guī)格書中還會給出該器件在不同的情況下的參數(shù)：

以及推薦的匹配和推薦的工作條件：

這樣就方便了工程師的調(diào)試和設(shè)計。

審核編輯 ：李倩