57、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

在信号接收过程中，靠近感兴趣频段的不需要信号可能以比所需信号强度高很多倍的强度到达低噪声放大器（LNA）。LNA 必须具备足够的线性度，以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质量。由于三阶混合产物通常占主导地位，LNA 的线性度与“三阶截点”（IP3）相关，其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 50 Ω。阻抗匹配电路由电抗元件组成，理想情况下无损耗且无噪声。共源（CS）LNA 输入级的小信号等效电路中，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]
为实现匹配，需满足以下两个条件：
[\omega_0^2 = \frac{1}{(L_g + L_s)C_{gs}}]
[\frac{g_m}{C_{gs}}L_s = R_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（记为 (v_{Rs}^2)）和输入晶体管的沟道热噪声（记为 (i_d^2)）。由 (v_{Rs}^2) 产生的输出噪声电流为：
[i_{out1}^2 = \frac{g_m^2v_{