LNA和PA之间有什么区别？

在高频信号处理和信号链组件选择方面的工作已经足够具有挑战性。放大器是无线电系统信号链中的重要组成部分，因为它们为信号提供了到达目的地所需的增强。在这些系统中，通常会出现两种类型的放大器：低噪声放大器（LNA）和功率放大器（PA）。这两种类型的放大器执行相似的功能，但在信号链中的位置不同。

LNA与PA组件之间的差异揭示了有关放大器选择的更基本的事情：在信号传递给负载之前，该组件是如何操纵信号的某个方面的。在无线电系统中，这些放大器都会出现在RF前端，作为信号广播和接收的一部分，因此必须仔细选择这些组件，并且应该在正确的信号功率范围内操作，以提供最佳结果。在本文中，我将检查这两种类型的组件之间的差异，并提供一些适用于多个频率范围的RF系统的高级部件示例。

RF前端中的放大器

在RF前端，LNA和PA通常分别用在RX和TX侧。这在许多需要无线通信的RF系统中通常是这样；PA和LNA部分经常内置于应用处理器或高度集成的RF收发器中。在音频中，一个类似的用例出现，其中功率放大器驱动扬声器，而LNA可以用在麦克风上，以收集来自附近环境的微弱声音。

下面的图片显示了放大器在RF前端中通常出现的位置，以及这些放大器如何在信号链的TX和RX侧实现。这种类型的TX/RX架构在具有集成收发器模块的芯片中以及在使用高功率运行的离散组件的系统中是典型的。输出上的开关是可选的，用于实现与单个天线的时间分割复用（TDD），以便TX和RX被分隔到不同的时间窗口中。然而，这不是必需的，RX/TX线路可以直接连接到它们自己的天线。

在RX侧，LNA输入直接送入解调器/下变频器，以从接收到的调制信号中提取数据。LNA仅处理由RX天线接收的输入，并旨在提供足够的增益，以确保信号超过接收器的阈值灵敏度。这实际上通过在RX信号链上仅应用少量增益来扩展接收范围。

在TX侧，功率放大器取出调制/上变频阶段的输出，并放大它，以向负载提供最大功率。在直接连接到天线的情况下，给天线或系统中任何其他组件的功率可能需要与反应性阻抗匹配。这将需要与非线性组件进行共轭阻抗匹配，以实现如下所述的最大功率传输。

考虑到这些点，让我们更仔细地看看每种类型的放大器。

功率放大器

功率放大器的目的非常简单：以最小的信号失真将最大功率传递给负载。就信号水平而言，功率放大器应该在信号链带宽内最大化信噪比，与噪声底线相比。这听起来相当简单，且是放大器的一个明显功能，但正如我在其他类型的放大器的文章中讨论的，不同的放大器涉及不同的信号输入，并将尝试适应信号链中的不同类型负载。

为了将最大功率传递给负载，在信号链中需要共轭阻抗匹配。在MHz到GHz范围内运行的功率放大器可以使用50欧姆的输出阻抗，因此天线可以设计为50欧姆阻抗以提供真实的阻抗匹配。在天线阻抗为反应性的情况下，需要使用无源元件的阻抗匹配网络，或者需要级联阻抗变压器。后者仅在以MHz频率工作的物理大型系统中可行，但在高GHz频率下可以实现而不会使板子过大。

关于阻抗匹配的另一个重要点是，简单的共轭匹配实际上不会在大多数情况下将最大功率传递给TX天线。这是因为通常会将功率放大器运行得非常接近饱和状态（接近1 dB压缩点）。在这种状态下，功率放大器的传递函数开始变得非线性，如下所示。

在这种状态下，当功率放大器与其负载之间留有一些非常轻微的阻抗不匹配时，将发生最大功率传递。这是因为最大功率传递值将是输入功率水平的函数，这需要解决一个超越方程的优化问题以确定最佳阻抗匹配。一种称为负载拉动分析的模拟技术可用于确定提供最大功率传递的最佳不匹配。

功率放大器示例

功率放大器可在任何标准放大器类别中找到，并且组件在从音频到微波的许多频率范围内都有可用。

用于选择功率放大器的一些重要规格包括：

• 所需频率下的增益 - 放大器规格中给出的增益值仅在特定的操作频率或频率范围内有效。

• 驱动机制 - 通常高频需要模拟驱动，而低频（例如，音频）可以使用PWM驱动。

• 增益带宽积 - 随着放大器增益的提高，整体带宽将受到限制。确保您可以通过这个规格获得所需的增益和带宽。

• 热阻 - 功率放大器可能会变热，因此注意热阻是很重要的，以便大致估计组件的操作温度。

• 1 dB 压缩和3OIP点 - 前者告诉您放大器开始饱和的时间，而后者告诉您第三阶互调产物功率等于主信号功率的时间。这限制了您可以在放大器中使用的输入功率。

Analog Devices的HMC455LP3是一款基于GaAs-InGaP异质结双极晶体管的2.5 GHz功率放大器。这款放大器提供高3OIP点（见下方传输函数曲线），在大约15 dBm输入功率下，增益约为12 dB。该组件可用于从1.7 GHz到2.5 GHz操作的低频微波系统。

对于音频系统，Texas Instruments的TPA2012D2RTJR是一款D类音频放大器，提供可选择的增益，音频范围内最高可达2.1 W功率输出。该组件可以在5 V或3.6 V下为4欧姆或8欧姆扬声器提供电源，可选择的增益高达24 dB。这款组件采用非常小的BGA封装，适用于移动设备，包括手机、平板电脑和便携式媒体播放器。

低噪声放大器

低噪声放大器旨在放大输入信号的电压，而不会显著放大系统中伴随的噪声，从而提高信号的信噪比（SNR）值。这些组件必须具有非常低的固有噪声，以提供此类放大特性。它们还必须能够充分拒绝其操作带宽内的噪声源，需要高PSRR和在其传输函数曲线中的窄滚降。最后，为了在应用高增益时最小化失真，这些组件必须具有高线性度，以防止谐波和互调产物的产生。

为了提供非常高的增益同时最小化噪声放大，一个重要的规格就是噪声系数，或更具体地说，增益对噪声系数的比率。一些非常敏感的接收器应用可能需要这些比率范围从20到30（例如，1 dB噪声系数与20到30 dB增益）。

低噪声放大器示例

一个非常简单的低噪声放大器（LNA）示例是NXP Semiconductors的MBC13720NT1。这个LNA组件具有非常宽的操作频率范围，从400 MHz到2.4 GHz。该组件可以提供高达11 mA的可选择控制电流，以及在900 MHz时达到20 dB的高增益。噪声系数也很低，增益对噪声系数的值大约为15。这种类型的组件将对在高功率下运行的sub-GHz无线电收发器模块的RX侧非常有用。

您的信号链还需要什么

从上面显示的图表中，应该清楚地看到，构建完整的中到高功率RF系统的信号链需要许多其他组件。对于消费级应用，或者在蓝牙WiFi中操作时，有一些高度集成的RF MCU SoCs，包括整个前端构建在组件内。还有一些可以为这些系统选择的无线模块，将包括芯片的整个前端。其他没有同等市场渗透率的无线电频段，通常缺乏这些集成解决方案，设计师将不得不采取这里概述的方法。

像软件定义无线电、业余无线电或在ISM频段中的操作，很可能需要完全使用离散组件自行构建您的信号链。在这个应用中，您需要的一些组件包括用于控制整个系统的数字处理器，以及上述的每个RF元件。您需要的一些组件可以在以下资源中找到：

• 数字处理器应该选择FPGA还是MCU

• 用于无线电应用的高频ADC

• 用于信号生成的离散振荡器

• 滤波器及其他无源元件

• 天线开关还是复用器

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