63、高频放大器与光低噪声前置放大器技术解析

高频放大器与光低噪声前置放大器技术解析

1. 低噪声放大器（LNA）的线性特性

在实际应用中，靠近感兴趣频段的不需要的信号可能会以比所需信号强度高很多倍的强度到达低噪声放大器（LNA）。为了防止这些带外信号在所需频段内产生互调产物，从而影响所需信号的接收，LNA必须具有足够的线性度。通常，三阶混频产物占主导地位，因此LNA的线性度与“三阶截点”（IP3）相关。IP3定义为使输出基频分量和三阶互调分量功率电平相等的输入功率电平。无线接收器的动态范围下限受噪声限制，上限受非线性限制。

2. CMOS共源LNA的简化分析

2.1 源极退化实现输入阻抗匹配

为了实现最大功率传输，LNA的输入阻抗必须与源电阻匹配，通常源电阻为50Ω。阻抗匹配电路由电抗元件组成，理想情况下是无损耗和无噪声的。共源（CS）LNA输入级的输入阻抗公式为：
[Z_{in} = j\omega(L_g + L_s) + \frac{1}{j\omega C_{gs}} + \frac{g_m}{C_{gs}}L_s]
为了实现匹配，需要满足以下两个条件：
[\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{(L_g + L_s)C_{gs}}}]
[R_s = \frac{g_m}{C_{gs}}L_s]

2.2 CS输入级的噪声系数

CS输入级存在两个主要噪声源：源电阻(R_s)的热噪声（表示为(v_{R_s}^2)）和输入晶体管的沟道热噪声（表示为(i_d^2)）。由(v_{R_s}^2)产生的输出噪声电流为：
[i_{out1}^2 = \frac{g_m^2 v_{R_s}^2}{\o