利用外部LNA改善接收機靈敏度

摘要：該應用筆記討論了在遙控門控(RKE)接收機中增加一個低噪聲放大器(LNA)對系統指標的影響。系統靈敏度將提高3.77dB，但三階截點將降低15dB。

靈敏度指標代表接收機捕獲弱信號的能力，由于該指標直接影響了系統的通信范圍，對于系統設計非常關鍵。

在許多遙控門控(RKE)和胎壓監測(TPM)設計中，制造商一般會利用接收機靈敏度(dBm)作為有別于競爭對手的關鍵。此外，其它接收機參數，例如：噪聲系數、互調失真、動態范圍，甚至功耗，也會作為重要參數，因為消費者對靈敏度和通信范圍十分看重。

改善系統靈敏度的方法之一是連接一個外部LNA增大鏈路增益。或許，還有其它簡單方法?

接收機靈敏度取決于系統的噪聲系數、解調檢測所需的最小S/N比值以及系統的熱噪聲。最小輸入信號電平如下式所示：

S = NF + n0 + S/N

EQN1

式中，S為所要求的最小輸入信號(dBm)，NF是接收機噪聲系數，S/N為輸出信噪比(能夠正確檢測信號，通常對應于能夠接受的誤碼率)，n0是接收機的熱噪聲功率(dBm)。

為簡化計算，估計要求輸出S/N (曼徹斯特數據)為5dB。為了得到S，還需要已知n0，n0定義為：

n0 = 10log10 (k T B / 1E-3)，單位為dBm

式中，k為玻爾茲曼常數(1.38 E-23)，T為開爾文溫度，B為系統噪聲帶寬。室溫條件下(T = 290°K)，對于1Hz帶寬，n0 = -174dBm (通常表示為等于-174dBm/Hz)。

對于300kHz IF帶寬，n0為-119dBm。

假設系統靈敏度為-109dBm。用EQN1，能夠確定接收機的NF為5dB。按照噪聲系數(NF)與噪聲因數(F)的關系式：

(NF)db = 10logF以及F = 10(NFdb/10)

噪聲因數為：F = 3.162。

可用如下等式計算多個雙端口設備的級聯噪聲因數：

FTotal = F1 + (F2 - 1) / G1 + (F3 - 1) / (G1 × G2) + ...

EQN2

如果在我們的系統輸入增加一級外部LNA，可以利用EQN2計算新的噪聲因數。對于MAX2640 LNA，NF = 1dB (F1 = 1.26)，增益為15dB (G1 = 31.62)，由于原系統(MAX1470)的噪聲因數為F2 = 3.162，那么，最終得到的FTotal = 1.327或1.23dB。

最終對系統指標的影響是什么呢? 利用EQN1，我們可以得到現在的靈敏度為：

S = 1.23 - 119 + 5 = -112.77db

因此，增加一個外部LNA能夠使系統靈敏度提高3.77dB，是否滿足系統要求還要視具體情況而定。噪聲系數畢竟只是系統指標的一部分。MAX1470具有-34dBm的系統IIP3，該參數基于內部混頻器IIP3為-18dBm，內部LNA的增益為16dB，得到-34dBm的IIP3。增加一個外部MAX2640 LNA后，系統的IIP3從-34dBm降至-49dBm (LNA增益為15dB)，這意味著系統的信號處理能力降低了。換句話說，盡管系統靈敏度提高近4dB，但系統的動態范圍降低了15dB。

因此系統設計人員需要判斷為了提高系統靈敏度是否值得以降低IIP3為代價。


圖1.