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理想放大器的噪聲系數(shù)F=1(0分貝),其物理意義是輸出信噪比等于輸入信噪比。設計良好的低噪聲放大器的FN可達3分貝以下。在噪聲系數(shù)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。在這里,它和噪聲溫度Te的單位都是開爾文(K)。

多級放大器的噪聲系數(shù)F主要取決于它的前置級。若F1,F2,…,Fn依次為各級放大器的噪聲系數(shù),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,則其后各級放大器對總噪聲系數(shù)F的影響越小。

單級放大器的噪聲系數(shù)主要取決于所用的有源器件及其工作狀態(tài)�，F(xiàn)代的低噪聲放大器大多采用晶體管、場效應晶體管;微波低噪聲放大器則采用變容二極管參量放大器,常溫參放的噪聲溫度Tθ可低于幾十度(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,其噪聲系數(shù)可低于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高于晶體管的截止頻率時,這種噪聲急劇增加。圖1是晶體管噪聲系數(shù)F隨頻率變化的曲線。對于低頻,特別是超低頻低噪聲放大器,應選用1/f噪聲小的晶體管;對于中、高頻放大,則應盡量選用高的晶體管,使其工作頻率范圍位于噪聲系數(shù)-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(chǎn)生的熱噪聲。通常它的噪聲比晶體管的小,可用于頻率高得多的低噪聲放大器。

放大器的噪聲系數(shù)還與晶體管的工作狀態(tài)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于4kTRs墹f,式中T為絕對溫度,k為玻耳茲曼常數(shù),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(tài)的函數(shù),可以用適當方法來測量。這樣,放大器的噪聲系數(shù)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,噪聲系數(shù)F將主要是信源內阻Rs的函數(shù)。Rs有一使F為最小的最佳值(圖3)。

在工作頻率和信源內阻均給定的情況下,噪聲系數(shù)也和晶體管直流工作點有關。發(fā)射極電流IE有一使噪聲系數(shù)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系數(shù)基本上與電路組態(tài)無關。但共發(fā)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,輸入電路大體上處于匹配狀態(tài),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系數(shù)小和放大器增益高的條件,所以都不太適于作放大鍵前置級之用。為了兼顧低噪聲和高增益的要求,常采用共發(fā)射極-共基極級聯(lián)的低噪聲放大電路。

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(fā)器無線通信卡、塔頂放大器(TMA)、組合器、中繼器以及遠端/數(shù)字無線寬帶頭端設備等應用設計,并為低噪聲指數(shù)(NF, Noise Figure)立下了新標竿。目前無線通信基礎設施產(chǎn)業(yè)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(zhàn),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(xiàn),低噪聲指數(shù)也是關鍵的設計目標,Avago提供了1900MHz下0.48dB同級產(chǎn)品最佳的噪聲指數(shù)。 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(shù)和35dBm的OIP3,在2500MHz和5V/56mA的典型工作條件下,噪聲指數(shù)為0.59dB,OIP3則為35dBm。通過低噪聲指數(shù)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(xiàn)有放大器產(chǎn)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(yōu)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舍,通過OIP3的測量并維持最佳的噪聲指數(shù),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(qū)要求的靈活度。 由于必須在發(fā)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(zhàn),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采用和Avago現(xiàn)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(qū)市場提供基站解決方案時所需要的印刷電路板設計數(shù)量。

關鍵功能

·1500MHz到2300MHz工作

同級最佳噪聲指數(shù)(NF):0.48dB @ 1900MHz

35dBm OIP3

17.8dB增益

21dBm P1dB @ 1900MHz

·2300MHz到4000MHz工作

低噪聲指數(shù)(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(chǎn)

·采用特有工藝:0.25μm GaAs增強模式pHEMT

封裝和溫度范圍

這兩款低噪聲放大器采用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的寬廣溫度范圍下工作。

因此Ts之值為

TssTe ++ TaTA/LaA ++(1 —— 1/LaLA)To

式中:

TsTs為接收系統(tǒng)噪聲溫度

To為接收系統(tǒng)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(huán)境溫度(To293K)

可以算出,當饋線損耗增大0.1dB時,系統(tǒng)噪聲溫度就要增加約6.7K�？梢婐伨�損耗對系統(tǒng)噪聲溫度影響極大,故饋線要盡可能短。實際上地球站的LNA往往直接安裝在饋源尾端的機艙中。