高增益低噪声放大器(LNA)的设计
高增益GPS LNA放大器_1
高增益GPS LNA放大器高增益GPS LNA放大器Avago Technologies(安华高科技)宣布，推出低噪声放大器(LNA, Low Noise Amplifier)系列的最新产品，一款适合GPS、不需执照工业、科学和医疗(ISM, Industrial, Scientific and Medical)用频段以及WiMax 应用，具备可变电流和关机功能的高增益低噪声放大器。
Avago紧凑的MGA-231T6提供有超低噪声指数和高线性，有助于大幅度改善GPS 接收器的灵敏度，这款低噪声放大器的目标市场为带GPS功能移动电话、娱乐和导航用GPS接收器和GPS天线产品。
Avago是为通信、工业和消费类等应用领域提供模拟接口零组件的领导厂商。
采用 2.0mm x 1.3mm x 0.4mm紧凑型封装供货，Avago的MGA-231T6只需4到5颗外部匹配元器件，有效节省所需的印刷电路板空间和设计中使用的器件数，帮助设计工程师开发出具备更多功能并且更加紧凑，满足消费者日益增高需求的新一代GPS应用。
MGA-231T6低噪声放大器使用Avago特有的GaAs增强模式pHEMT 工艺技术达到高增益和超低噪声指数，同时噪声指数的分布也经过严密控制，并提供有CMOS电平兼容的关机控制引脚，可以启动或关闭放大器和进行电流调整。
低噪声指数和高增益搭配上低功耗使得MGA-231T6非常适合关键的低功耗GPS或电池电量较低情况等应用。
功能特点‧典型1.0dB超低噪声指数‧典型17.1dB高增益‧高IIP3和IP1dB‧低外加器件数‧<0.4μA低关机电流‧CMOS电平兼容关机控制引脚‧电源电压可低达1.8V‧可通过单一外加电阻或电压进行电流调整‧采用Pb-Free环保无铅设计并符合RoHS标准要求产品供货情形Avago具备可变电流和关机功能的MGA-231T6高增益GPS低噪声放大器目前已经可以通过Avago的直接销售渠道和全球分销网络提供样片并正式批量供货。
lna的原理
lna的原理低噪声放大器（Low-Noise Amplifier，LNA）是无线通信系统中重要的组成部分，其主要作用是对信号进行放大并尽量减小噪声的引入。
LNA被广泛应用于无线电、卫星通信、雷达等各种通信领域。
一、LNA的基本原理LNA的主要目标是在信号放大的同时增加尽量少的噪声。
要实现这一目标，LNA需要具备以下几个基本原理：1. 高增益：LNA需要提供足够的放大系数来放大输入信号，使其达到合适的水平，以便后续电路对信号进行处理。
通常，LNA的增益应能够弥补信号在接收链路中的损耗。
2. 低噪声：噪声是无线通信系统的主要限制因素之一，LNA的设计需要减小在信号放大过程中引入的噪声。
较低的噪声系数可以提高整个通信系统的性能，使得系统能够实现更远的通信距离或更高的数据传输速率。
3. 宽带：LNA需要能够放大一定范围内的信号频率，以满足通信系统在不同频段的工作需求。
同时，在带宽设计上需要尽量避免引入不必要的失真和非线性效应。
4. 高线性度：LNA需要具备较高的线性度，以避免在信号放大过程中引入非线性失真。
在某些高动态范围的应用中，如接收GPS信号，线性度要求尤为严格，以保证接收到的信号准确无误。
二、LNA的工作原理LNA的工作原理主要涉及到放大器的设计和增益调节。
在放大器的设计过程中，可以选用不同的拓扑结构和器件，如晶体管、场效应管等，以满足不同应用场景的需求。
1. 输入匹配：为了最大程度地将信号能量传递到放大器的负载，LNA的输入端需要与前一级电路（如天线）进行匹配。
匹配的目的是使信号源的输出阻抗与放大器的输入阻抗相等，以减小信号的反射损耗。
2. 带通滤波：为了抑制掉带外噪声和干扰信号，LNA通常会通过使用带通滤波器来选择感兴趣的频率范围。
带通滤波可以削弱或消除在放大器输入端引入的干扰信号，提高系统的抗干扰性能。
3. 增益控制：为了使LNA能够适应不同的信号强度和环境变化，可以在LNA中引入增益控制电路。
《LNA的设计》课件
LNA在雷达领域的应用
LNA在卫星领域的应用
LNA在雷达系统中用于信号强 化和噪声降低，提高雷达性能。
LNA在卫星通信系统中用于接 收地面信号和提高卫星信号的 传输质量。
总结
LNA的优缺点
LNA的优点是提高信号质量和 系统性能，但也存在功耗和 成本等方面的限制。
放大器的种类
• 共源放大器 • 共栅放大器 • 共基放大器
传输线
• 微带线 • 同轴线 • 传输线的参
数设计
滤波器
• 带通滤波器 • 带阻滤波器 • 陷波器
稳定器
• 负反馈稳定器 • 栅压源稳定器 • 射极电流源
稳定器
放大器的设计
1
放大器的基本原理
放大器是一种电子设备，可以将弱信
LNA的放大器种类
Hale Waihona Puke 2 传输线的特点不同类型的传输线具有 不同的特性阻抗、传输 速率和损耗等特点。
3 传输线的参数设计
根据应用要求，选择合 适的传输线参数，如长 度、电缆类型和尺寸。
滤波器的设计
1
滤波器的种类
带通滤波器、带阻滤波器和陷波器是常用的滤波器类型。
2
滤波器的原理
滤波器通过选择性地通过或阻断特定频率的信号，实现对信号频谱的调整。
3
LNA中的滤波器
滤波器在LNA中的作用是去除不需要的信号干扰，提高系统性能和抗干扰能力。
稳定器的设计
1
稳定器的作用
稳定器的作用是保持放大器的工作状
稳定器的原理
2
态稳定，提高系统的稳定性和可靠性。
稳定器通过反馈控制或参考电压源等
方法，控制放大器的偏置点和工作参
低噪声放大器的设计
一种900MHz频段低噪声放大器设计方法及测试结果本文介绍一种低噪声放大器的设计方法，对初学者可能有一定的借鉴作用。
关键词： LNA：低噪声放大器 IL：插入损耗ACPR：邻道功率比值 IM3：三阶交调EESOF\TOUCHSTN：八十年代流行的HP公司的小型微波软件一、任务的来源:受外单位的委托，要求设计一种低噪声放大器，具体要求如下：1.频率范围：820-960MHz2.增益：G≥45dB3.噪声系数：Nf≤1.54.带内平坦度：≤±0.2dB5.线性功率：P-1≥15dBm6.电调衰减：Att= 31dB (5bit)二、设计框架:1.放大器级数的考虑：由于常见器件有效实际增益为11～17dB，故此，3-4级方可满足增益要求。
经对比分析我们确定了以下方案：第一级：A TF10136 Nf=0.4dB G=13.5dB OIP3=18dBm第二级：MSA1105 Nf=4.1dB G=10.5 dB OIP3=25dBm第三级：SGA6586 Nf=2.6dB G=23.8dB OIP3=33dBm在第二级与第三级之间插入数字电调衰减器，其数字电调衰减器的最小IL为1.8dB，所以，总增益约为46dB。
2.噪声系数的计算：一个放大器的噪声系数主要取决于第一、二级放大管的Nf及Gain，见以下公式：NFs=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/(G1G2)+……(NFn-1)/(G1G2…Gn-1) 式中：NFn为第n级器件的噪声系数Gn-1为第n-1级器件的增益基于产品批量生产的一致性考虑，经HP的EESOF\TOUCHSTN编程计算，将第一级FET优化设计成:Nf=0.85dB Gain=13.5dB，经以上公式计算得出噪声系数理论值为1.1dB，满足指标要求。
3.线性功率考虑：线性功率小，交调指标差，它将最终影响功放的ACPR 值和IM3；但是，过分地要求加大P-1，将增加电流消耗，降低了设备的可靠度，同时提高了造价，综合考虑诸多因素，SGA6586比较合适。
低噪声放大器(LNA)仿真与设计ADS.ppt
20.03.2019
三、低噪声放大器基础知识
（3）噪声系数 放大器的噪声系数是输入信号的信噪比与输出信 号的信噪比的比值，表示信号经过放大器后信号质量 的变坏程度。级联网络中，越靠前端的元件对整个噪 声系数的影响越大，在接收前端：必须做低噪声设计。 放大器的设计要远离不稳定区。噪声的好坏主要取决 于器件和电路设计。 （4）动态范围 放大器的线性工作范围。最小输入功率为接收灵 敏度，最大输入功率是引起1dB 压缩的功率。
与源阻抗无关，与负载阻抗有关 ; 资用功率增益：二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比，源 端和负载端均共扼匹配，与源阻抗有关，与负载阻抗无关。它表示放 大器增益的最大潜力; 转换功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端的资用功率之比， 与两端阻抗都有关。
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三、低噪声放大器基础知识
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三、低噪声放大器基础知识
1.3 放大器常用元器件
1.两端负阻的二极管器件
变容二极管 ：参量放大
隧道二极管：隧道效应 耿氏二极管：转移电子 碰撞雪崩渡越时间二极管：雪崩渡越时间 特点：应用于放大器电路的早期器件，制造比较容易、便宜，
但是两端口器件实现增益的相关电路价格确比较昂贵，且稳定 性较差，调试工作困难。
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一、电路噪声的定义与分析
1.2 噪声的分类
内部噪声，在没有施加外部电流的情况下所能够观察到的噪声： 电阻的热噪声 额外噪声，只有施加外部电流的情况下才能够观察到的噪声： 1/f噪声 散粒噪声 外部噪声， 环境噪声 外部电子干扰噪声
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一、电路噪声的定义与分析
1.3 热噪声的定义
导体中的噪声功率表示为： P k T f k T B （1） n 其中K为波尔兹曼常数，T是绝对温度用K表示，
利用ADS设计低噪声放大器LNA
利用ADS 设计LNA低噪声放大器设计的依据和步骤：•满足规定的技术指标噪声系数（或噪声温度）；功率增益；增益平坦度；工作频带；动态范围输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50Ω步骤：• 放大器级数（对于我们，为了便于设计和学习，通常选择一级） • 晶体管选择 • 电路拓扑结构 • 电路初步设计•用CAD 软件进行设计、优化、仿真模拟一、低噪声放大器的主要技术指标1．LNA 的噪声系数和噪声温度 放大器的噪声系数NF 可定义如下outout in in N S N S NF //=式中，NF 为微波部件的噪声系数；S in ，N in 分别为输入端的信号功率和噪声功率； S out ，N out 分别为输出端的信号功率和噪声功率。
噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。
通常，噪声系数用分贝数表示，此时)lg(10)(NF dB NF =放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度T e 来表达。
噪声温度T e 与噪声系数NF 的关系是)1(0-⋅=NF T T e 式中，T 0为环境温度，通常取为293K 。
2．LNA 的功率增益、相关增益与增益平坦度微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共扼增益、单向化增益等。
对于实际的低噪音放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50Ω标准阻抗情况下实功率增益的大小还会影响整机噪声系数，下面给出简化的多级放大器噪声系数表达式： (112)13121+-+-+=G G N G N N N f f f f其中：f N －放大器整机噪声系数；321f f f N N N ，，－分别为第1，2，3级的噪声系数；21G G ，－分别为第1，2级功率增益。
从上面的讨论可以知道，当前级增益G 1和G 2足够大的时候，整机的噪声系数接近第一级的噪声系数。
因此多级放大器第一级噪音系数大小起决定作用。
作为成品微波低噪音放大器的功率增益，一般是20－50dB 范围。
基于ADS的低噪放大器设计
基于ADS的低噪放大器设计低噪放大器(LNA)是无线通信系统和射频电路中非常重要的组成部分，其主要功能是接收到的微弱信号进行放大并降低噪声水平。
在LNA设计中，使用高度集成的射频集成电路技术(ASIC)来实现高性能的LNA是相对常见的方法之一、本文将基于ADS软件进行低噪放大器的设计。
在ADS软件中，设计LNA的第一步是选择适当的放大器结构。
常见的放大器结构包括共源放大器、共栅放大器和共源共栅放大器等。
在选择放大器结构时，需要根据电路的噪声要求、增益要求和频率范围来决定。
在本文中，我们将选择共源放大器结构进行LNA的设计。
第二步是进行器件的建模和参数选择。
在ADS软件中，我们可以使用S参数模型或者使用器件的原理模型来进行建模。
对于MOSFET器件，我们可以使用BSIM3或者BSIM4模型。
在选择模型时，需要考虑器件的性能和仿真的准确性。
此外，还需要选择合适的器件尺寸和电流偏置点，以满足低噪声和高增益的要求。
第三步是进行射频传输线的设计和匹配网络的设计。
在LNA的输入端，通常需要使用一个传输线来实现输入的匹配。
在ADS软件中，我们可以使用Smith图或者阻抗匹配工具来设计和优化传输线。
另外，在输出端也需要进行匹配网络的设计，以实现合适的阻抗匹配。
在设计匹配网络时，可以使用传统的L型、π型或者香蕉型网络，也可以使用阻抗变换器来实现匹配。
第四步是进行直流偏置电路的设计。
在共源放大器中，需要使用直流偏置电路来提供适当的电流偏置点。
直流偏置电路的设计通常包括电流源和电流镜。
在ADS软件中，我们可以使用电流源和电流镜元件来设计直流偏置电路。
根据仿真结果，可以调整电流源和电流镜的尺寸和电流偏置点，以满足设计的要求。
第五步是进行电路的仿真和性能评估。
在ADS软件中，可以使用S参数仿真、噪声仿真和交流仿真来评估LNA的性能。
通过调整各个元件的参数，可以得到合适的增益、噪声系数和带宽等性能指标。
在设计中，需要注意平衡增益和噪声系数的关系，以及增益、带宽和稳定性的平衡。
LNA设计的技术指标：工作频率825MHz—835MHz；噪声
LNA设计的技术指标：工作频率825 MHz — 835 MHz；噪声系数<1.8 dB；关键器件选择ATF-54143 是一款高增益、宽动态范围、低噪声的E-PHEMT（增强模式伪形态高电子迁移率晶体管），只需要一个正的电压偏置，器件体积小，电路集成度高，特别适用于450 MHz — 6 GHz 频段的通信系统。
而且根据器件性能，在漏电流IDS为60 mA时能得到最高的三阶截取点（IP3）和最低噪声系数（NF），在漏电压VDS为3 V 时，有较高的增益。
LNA 电路的设计通常，在设计LNA 时主要考虑低噪声系数（NF），足够的增益和绝对稳定性，但在实际应用中，高截取点、供电电压和低电流损耗也需要考虑。
直流偏置电路的设计首先，以ATF-54143 的栅极电压VDS 作为扫描参数对元件的静态工作点（漏极电流IDS 和漏极电压VDS）进行仿真。
图2 和图3 分别为仿真图和电路原理图。
再根据选定的VDS（3 V），IDS（60 mA），VGS（0.56 V）, 用公式（1）（2）（3）计算各偏置电阻值。
式中，IBB=2 mA是设定流经R1 和R2 电阻分压网络的电流，Vdd=5 V 是供电电压，经计算得出各偏置电阻值：R1=280 Ω，R2=1220 Ω，网R3=33 Ω。
稳定电路的设计电路不稳定主要由3 个原因产生：晶体管内部的反馈回路，由外部电路产生的在晶体管外部的反馈支路，以及通带外的多余的增益。
绝对稳定意味着对于任何源端和负载端的阻抗，电路都不会出现不稳定的情况，通常可以由Rollett稳定因子来表示。
绝对稳定的条件是：稳定电路的设计电路不稳定主要由3 个原因产生：晶体管内部的反馈回路，由外部电路产生的在晶体管外部的反馈支路，以及通带外的多余的增益。
绝对稳定意味着对于任何源端和负载端的阻抗，电路都不会出现不稳定的情况，通常可以由Rollett稳定因子来表示。
绝对稳定的条件是：改进方法之一是可以在晶体管的源端对地加上一小段微带线，相当于电感性元件的负反馈，可以改善输入回波损耗和低频稳定度，提高线性度；同时在放大电路的输出端可以加上π型阻性衰减器，对改善稳定性也很有效。
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本科生毕业设计[论文] 高增益低噪声放大器（LNA）的设计院系专业班级姓名学号指导教师2017年1月13日华中科技大学IC课程设计（论文）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：2017 年 1 月13 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。
（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：2017 年 1 月13 日导师签名：2017 年 1 月13 日摘要低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）作为整个射频接收系统第一级，直接影响着整个系统的性能。
它的主要功能就是将从天线接收到的微弱信号进行放大，同时将其输出给后级的混频器，在这个过程中LNA引入信号中的噪声非常低，对信号进行初步的降噪处理，如果信号在通过LNA时引入的噪声较大或者没有将信号放大，那么其后的射频模块将无法对有用信号进行处理。
所以应用中的低噪声放大器必须具有最佳的噪声系数（NF），具有良好的线性度且对信号有一定的放大功能。
基于以上的研究背景，本文设计了一款高增益宽带低噪声放大器，详细的介绍了它的设计过程。
文章首先对宽带低噪声放大器进行了简单介绍，包括它的研究背景及国内外发展现状，接着介绍了在设计低噪声放大器中我们要注意的几个主要的参数，包括噪声、功率增益、输入匹配、线性度和S参数。
最后详细的介绍了我们的电路设计过程，包括一级和二级电路的选择以及其中一些工艺参数的设计，并给出了仿真结果，供大家分析和讨论。
电路实现采用了TSMC 0.18μm CMOS工艺，设计了一个200M～2GHz的高增益宽带低噪声放大器（LNA），根据题目要求，最终可以实现在工作电压为1.8V，工作电流小于16mA的条件下，噪声系数小于等于3.5Db,功率增益为15dB到20dB，IIP3大于-15dBm,单端输入阻抗达到50Ω，基本上满足了题目的要求。
关键词：宽带低噪声放大器噪声系数功率增益AbstractLow-noise amplifier (LNA), as the first stage of the RF receiving system, directly affects the performance of the whole system. Its main function is to receive from the antenna to the weak signal amplification, while its output to the mixer after the class. In this process, the noise in the LNA-introduced signal is very low and the signal is subjected to a preliminary noise reduction process. If the noise introduced by the LNA is large or the signal is not amplified, the subsequent RF module will not be able to detect the useful signal . Therefore, the application of low noise amplifier must have the best noise figure (NF), with good linearity and the signal has a certain amplification.Based on the above research background, this paper designs a high-gain broadband low-noise amplifier, and introduces its design process in detail. In this paper, we briefly introduce the broadband low noise amplifier, including its background and development at home and abroad. Then we introduce several main parameters in the design of low noise amplifier, including noise, power gain, input matching , Linearity and S-parameters. Finally, the circuit design process is introduced in detail, including the choice of primary and secondary circuits and the design of some of the process parameters, and gives the simulation results for analysis and discussion.A 200MHz ~ 2GHz high gain wideband low noise amplifier (LNA) is designed by TSMC 0.18 CMOS technology. According to the requirements, the noise figure can be achieved under the condition of 1.8V and 16mA working current. Less than or equal to 3.5Db, power gain of 15dB to 20dB, IIP3 greater than-15dBm, single-ended input impedance of 50Ω, basically meet the requirements of the subject.Keywords: wide band Low noise amplifier NF gain目录摘要 (2)关键词： (2)Abstract (3)Keywords: (3)第一章绪论 (5)1.1 课题背景及意义 (5)1.1.1 低噪声放大器的重要性 (5)1.1.2 宽带高增益低噪声放大器的意义 (5)1.2 国内外研究现状及发展趋势 (7)1.3 论文主要工作 (8)第二章 LNA的主要性能指标 (10)2.1 增益 (10)2.2噪声 (11)2.3 动态范围和线性度 (14)2.4输入阻抗匹配 (16)第三章 LNA电路设计 (17)3.1输入级的设计 (18)3.1.1输入阻抗匹配分析 (18)3.1.2噪声分析 (20)3.2输出级的设计 (23)第四章结论 (25)致谢 (30)参考文献 (31)附录 (32)第一章绪论1.1 课题背景及意义1.1.1 低噪声放大器的重要性低噪声放大器是射频接受前端的主要组成部分，它位于接受前段的第一级，直接与天线信号相连。
由于其位于接受前段第一级，所以低噪声放大器在提供一定增益，对信号进行放大的同时，需要尽可能避免引入噪声，还需要具有很好的线性度。
现代无线接收机要求具有非常灵敏的电路，接收机的动态范围和灵敏度很大程度上都取决于低噪声放大器的噪声性能和线性度。
如低噪声放大器噪声系数增大0.5dB，就可能对整个接收机的链路产生很大的影响。
下图是射频接收机的简单的结构示意图，天线接收到的信号通过滤波器后LNA 放大，再被混频器转换到基带，解调完成后，信号输入到模拟数字信号转换器，将模拟信号转换为数字信号，最后数字信号输入到数字信号处理器中。
从图中可见，信号的第一级放大由 LNA完成，因此，LNA的特性决定整个接收机的性能，它对提高信息传输质量、改善接收机的噪声、增大传输距离和改善接收机的灵敏度都有着重要的作用。
图1-1：射频接收机的简单结构图1.1.2 宽带高增益低噪声放大器的意义随着光纤通信、移动通信、卫星通信、电子对抗、微波测量仪器、各种无线局域网等领域向着低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段等方向发展，对各自的射频收发模块提出了各种新的要求。
其中高频、宽带宽通讯是一个重要的发展方向。
首先，电子侦察是未来信息战的序幕和先导，并贯穿于信息战的全过程。
随着电子对抗技术的不断发展，用于现代电子战中的电子设备如跳频通信、宽带干扰机的频带越来越宽，这就迫切要求研制出宽频带电子侦察接收机，以满足未来战争中电子对抗之需要。
其次，随着计算机网络和全球移动通信的发展，包括笔记本电脑、PDA、计算机外设、移动电话和家用电子产品等便携的数字处理设备已经成为人们日常生活和办公的必需品。
以前这些设备大多依赖电缆连接，使用不便。
实现设备之间可移动、自动互联的无线个人网络技术WPAN呼之欲出。
为此IEEE802.15.3标准应运而生，并已将3.1～5GHz和6～10.6GHz频段作为WPAN的工作频段，特别是3.1～5GHz是现阶段发展的热点。
再次，用于卫星通信、电视转播、数据与图像传输领域的现有射频接收机的性能已经远远不能满足用户高数据量、宽频带的需求，技术升级势在必行。
另外，随着数码时代的逐步推进，一机多用将为人们带来极大的便利。
比如，要求移动通信设备不仅能接收不同系统不同频段的信号，而且还能接入到蓝牙、WLAN或WPAN系统。
用传统的多个窄带射频收发机并联的方式固然可以实现上述应用，但也使成本线性增长。
而宽带射频单元却可以在不增加芯片面积和功耗的前提下，实现较宽频段内的信号全接收，具有极高的性价比。
可见，宽带通讯确实是当今无线通讯技术的一个重要发展方向。
而低噪声放大器(LNA)作为射频接收机的第一级，其性能的好坏直接影响了整个接收系统的性能。
所以，对宽带LNA的研究得到了越来越广泛的重视。
1.2 国内外研究现状及发展趋势关于高增益宽频低噪声放大器（LNA），国内外做了大量研究。