對性能、小型化和更高頻率的需求，正挑戰無線系統中兩個關鍵天線連接元器件的限制：功率放大器(PA) 和低噪聲放大器(LNA)。5G 的發展以及 PA 和 LNA 在微波無線電鏈路、VSAT（衛星通信系統）和相控陣雷達系統中的使用正促成這種轉變。這些應用的要求包括較低噪聲（對于 LNA）和較高能效（對于 PA）以及在高達或高于 10 GHz 的較高頻率下的運行。為了滿足這些日益增長的需求，LNA 和 PA 制造商正在從傳統的全硅工藝轉向用于 LNA 的砷化鎵(GaAs) 和用于 PA 的氮化鎵(GaN)。
本文將介紹 LNA 和 PA 的作用和要求及其主要特性，然后介紹典型的 GaAs 和 GaN 器件以及利用這些器件進行設計時的注意事項。
LNA 的靈敏作用
LNA 的作用是從天線獲取極其微弱的不確定信號，這些信號通常是微伏數量級的信號或者低于 -100 dBm，然后將該信號放大至一個更有用的水平，通常約為 0.5 到 1 V（圖 1）。具體來看，在 50 Ω 系統中 10 μV 為 -87 dBm，100 μV 等于 -67 dBm。
利用現代電子技術可以輕松實現這樣的增益，但 LNA 在微弱的輸入信號中加入各種噪聲時，問題將遠不是那么簡單。LNA 的放大優勢會在這樣的噪聲中完全消失。
圖 1：接收路徑的低噪聲放大器(LNA) 和發送路徑的功率放大器(PA) 經由雙工器連接到天線，雙工器分開兩個信號，并防止相對強大的 PA 輸出使靈敏的 LNA 輸入過載。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
注意，LNA 工作在一個充滿未知的世界中。作為收發器通道的前端，LNA 必須能捕捉并放大相關帶寬內功耗極低的低電壓信號以及天線造成的相關隨機噪聲。在信號理論中，這種情況稱作未知信號 / 未知噪聲難題，是所有信號處理難題中最難的部分。
LNA 的主要參數是噪聲系數(NF)、增益和線性度。噪聲來自熱源及其它噪聲源，噪聲系數的典型值為 0.5 - 1.5 dB。單級放大器的典型增益在 10 - 20 dB 之間。有一些設計采用在低增益、低 NF 級后加一個更高增益級的級聯放大器，這種設計可能達到較高的 NF，不過一旦初始信號已經“增大”，這樣做就變得不那么重要。（有關 LNA、噪聲和射頻接收器的詳細內容，請參閱 TechZone 中《低噪聲放大器可以最大限度地提升接收器的靈敏度》一文。）
LNA 的另一個問題是非線性度，因為合成諧波和互調失真可使接收到的信號質量惡化，在位誤差率(BER) 相當低時使得信號解調和解碼變得更加困難。通常用三階交調點(IP3) 作為線性度的特征化參數，將三階非線性項引起的非線性乘積與以線性方式放大的信號關聯在一起；IP3 值越高，放大器性能的線性度越好。
功耗和能效在 LNA 中通常不屬于首要問題。就本質而言，絕大多數 LNA 是功耗相當低且電流消耗在 10 - 100 mA 之間的器件，它們向下一級提供電壓增益，但不會向負載輸送功率。此外，系統中僅采用一個或者兩個 LNA（后者常用于 Wi-Fi 和 5G 等接口的多功能天線設計中），因此通過低功耗 LNA 節能的意義不大。
除工作頻率和帶寬外，各種 LNA 相對來講在功能上非常相似。一些 LNA 還具有增益控制功能，因此能夠應對輸入信號的寬動態范圍，而不會出現過載、飽和。在基站至手機通道損耗范圍寬的移動應用中，輸入信號強度變化范圍如此之寬的情況會經常遇到，即使單連接循環也是如此。
輸入信號到 LNA 的路由以及來自其輸出信號與元器件本身的規格一樣重要。因此，設計人員必須使用復雜的建模和布局工具來實現 LNA 的全部潛在性能。由于布局或阻抗匹配不佳，優質元器件可能容易劣化，因此務必要使用供應商提供的史密斯圓圖（參見“史密斯圓圖：射頻設計中依舊至關重要的一個‘古老’圖形工具”），以及支持仿真和分析軟件的可靠電路模型。
由于這些原因，幾乎所有在 GHz 范圍內工作的高性能 LNA 供應商均會提供評估板或經過驗證的印刷電路板布局，因為測試設置的每個方面都至關重要，包括布局、連接器、接地、旁路和電源。沒有這些資源，設計人員就需要浪費時間來評估元器件在其應用中的性能。
基于 GaAs 的 LNA 的一個代表是 HMC519LC4TR。這是一種來自 Analog Devices 的 18 到 31 GHz pHEMT（假晶高電子遷移率晶體管）器件（圖 2）。這種無引線 4×4 mm 陶瓷表面貼裝封裝可提供 14 dB 的小信號增益，以及 3.5 dB 的低噪聲系數和+ 23 dBm 的高 IP3。該器件可從單個+3 V 電源提取 75 mA 電流。
圖 2：HMC519LC4TR GaAs LNA 為 18 至 31 GHz 的低電平輸入提供低噪聲增益；大多數封裝連接用于電源軌、接地或不使用。（圖片來源：Analog Devices）
從簡單的功能框圖到具有不同值和類型的多個外部電容器都需要一個設計進程，提供適當的射頻旁路，在三個電源軌饋電上具有低寄生效應，指定為 Vdd（圖 3）。
圖 3：在實際應用中，HMC519LC4TR LNA 在其電源軌上需要多個額定電壓相同的旁路電容器，以提供用于低頻濾波的大電容以及用于射頻旁路的較小值電容，從而最大程度地減少射頻寄生效應。（圖片來源：Analog Devices）
根據此增強原理圖生成評估板，詳細說明布局和 BOM，包括非 FR4 印刷電路板材料的使用（圖 4(a) 和 4(b)）。
圖 4(a)
圖 4(b)
圖 4：考慮到這些 LNA 前端工作的高頻率和它們必須捕獲的低電平信號，一個詳細且經測試的評估設計至關重要。其中包括一份原理圖（未顯示）、電路板布局(a) 和 BOM，及無源元器件和印刷電路板材料(b) 的細節。（圖片來源：Analog Devices）