射频LNA的放大倍数为什么不是越大越好

一、理论基础：噪声与增益的辩证关系

1.1 Friis公式的启示

根据噪声系数级联公式：

Ftotal=F1+F2−1G1+F3−1G1G2+⋯

LNA作为第一级(F₁)的增益G₁对系统总噪声起决定性作用。但该公式隐含两个关键前提：

增益临界点现象：当G₁足够大时(通常>15dB)，后级噪声贡献可忽略，此时继续提高增益对系统噪声系数无改善。实验数据表明，当LNA增益超过17dB后，系统总噪声系数进入平台期(如原图所示)。

噪声系数与增益的独立性：LNA的噪声系数F₁由晶体管偏置点和输入匹配决定，与增益G₁无直接关联。高增益可能要求更大的偏置电流，反而可能恶化噪声系数。

1.2 SNR与误码率的本质关联

误码率(BER)由信噪比(SNR)直接决定，而SNR的数学表达为：

SNR=SNtotal=GLNA⋅SinGLNA⋅Nin+Nadd

当LNA增益足够大时，系统噪声由LNA自身噪声主导(N_add≈G_LNA·N_in)，此时： SNR≈SinNin+Nadd/GLNA→SinNin

这表明：超过临界增益后，SNR不再提升。若盲目增大增益，可能因引入非线性产物(如三阶交调)反而降低有效SNR。

二、工程实践中的多维约束

2.1 线性度与增益的负相关

晶体管的工作点选择存在根本性矛盾：

高增益模式：需要增大偏置电流以提高跨导，但会导致：

直流功耗上升(违背低功耗设计准则)

输出阻抗降低，恶化线性度(IIP3下降)

实验数据佐证：某LNA在增益从15dB提升至25dB时，IIP3从+5dBm降至-10dBm(如MAX2741案例)。这会显著降低系统抗干扰能力，导致带外阻塞信号通过非线性效应抬高基底噪声。

2.2 稳定性与增益的博弈

根据Rollett稳定性因子K：

K=1−∣S11∣2−∣S22∣2+∣Δ∣22∣S12S21∣

高增益设计要求S21(正向增益)最大化，但会导致：

稳定性恶化(K<1时可能自激振荡)

输入/输出匹配网络复杂度剧增(需引入损耗性元件降Q值)

2.3 带外抑制的连锁反应

高增益LNA会放大前级滤波器的残余带外干扰：

SAW滤波器局限性：典型带外抑制约40-50dB，对GPS等弱信号系统仍可能残留-90dBm干扰

非线性产物危害：例如LTE B2/B3频段的二次谐波通过LNA非线性产生GPS频段交调分量

系统级验证案例：某GPS接收机采用25dB增益LNA时，带外干扰导致C/N0下降8dB;将增益降至16dB后，C/N0恢复至设计值

三、设计方法论：寻找最优平衡点

3.1 临界增益的确定

通过噪声系数贡献度分析法确定最小必要增益：

Gmin=10log⁡(Ftotal−F1F2−1)+3dB(安全裕量)

以典型接收链路(LNA→Mixer→IF Amp)为例：

LNA噪声系数F₁=2dB

混频器噪声系数F₂=10dB

代入计算得G_min≈14dB，与厂商建议值(15-17dB)高度吻合

3.2 多参数联合优化策略

采用Pareto最优前沿方法进行参数权衡：

噪声匹配与增益匹配分离设计：通过源极负反馈等技术实现噪声最优输入匹配，输出端通过共轭匹配实现增益最大化

偏置点动态调节：对于多频段系统，可设计自适应偏置电路(如电流镜阵列)，在不同频段切换最佳工作点

级间隔离度优化：在LNA与后级间插入衰减器或缓冲级，兼顾增益与稳定性

四、典型案例分析

4.1 卫星导航接收机设计

需求矛盾：需要极高灵敏度(-150dBm)，但同时面临强带外干扰(如GLONASS L1频段邻近WiFi)

解决方案：

LNA增益设定为16dB(略高于临界值14dB)

采用噪声系数1.2dB的GaAs HEMT

输出端插入3dB衰减器提升IIP3至+8dBm

实测系统灵敏度-148dBm，IIP3优于-15dBm

4.2 5G毫米波前端设计

特殊挑战：高频段损耗大，需要更高增益，但毫米波器件线性度差

创新方法：

采用分布式放大器结构，将总增益拆分为3级(5dB+5dB+6dB)

每级间加入λ/4微带线提升隔离度

最终实现16dB增益，NF=3.5dB，IIP3=-5dBm

五、结论

LNA增益的优化本质上是多约束条件下的最优化问题：

理论层面：存在明确的增益临界值，超过该值后系统性能不再提升

工程层面：需综合考虑噪声、线性度、稳定性、功耗等参数，通过系统级仿真和实测确定最佳工作点

技术趋势：新型材料(如GaN)、电路架构(如Doherty LNA)和智能算法(如ML驱动的参数优化)正在突破传统设计边界，但基础物理规律(噪声与线性度的根本矛盾)仍构成设计约束

最终设计准则可归纳为：在保证系统噪声系数达标的前提下，选择能满足线性度指标的最低增益值。这一原则在卫星通信、雷达、5G等高频系统中已得到充分验证。

来源：本文转载自射频小馆公众号