— 而是：在超弱訊號世界裡，用有限功耗與有限線性，把雜訊門檻壓下去、把匹配做對、把干擾扛住
🎯 單元目標（完成後你將能做到）
你將能夠：
- 建立 LNA 的 RF 世界觀：NF、S11、Gain、IIP3、功耗、穩定是一組互相拉扯的資源分配
- 用元件層直覺理解：為什麼 LNA 常用 CS/共源 + 退化、或疊接/折疊架構
- 理解輸入匹配的工程意義：不是為了好看，而是為了最大功率傳輸與系統穩定
- 用實務流程設計：規格 → 架構 → 偏壓/尺寸 → 匹配網路 → 線性/雜訊/穩定性驗證
🧭 一句話總結（超核心）
👉 LNA 是「訊噪比守門員」：它決定整個接收機的噪聲底（NF）與抗干擾底線（IIP3），同時還要對 50Ω（或天線阻抗）保持良好匹配（S11）。
✅ 你做錯 LNA，後面再多級增益都救不回來。
🧑🎓 初學者先懂：你到底在做什麼（最重要的世界觀）
很多新手以為 LNA 的任務是「增益越大越好」。但 RF 前端的真相是：
- 你要放大的，是“接近雜訊底”的超弱訊號（接收端很容易被噪聲淹沒）
- 你最怕的，是旁邊的強干擾把你“打爛”（非線性 → IM3 掉進通帶）
- 你必須先把能量送進來（S11 不對，訊號反射回去，後面都白做）
- 你還要確保不會自己震盪（穩定性不成立，整機可能直接報廢）
一句話：
✅ LNA 是在「弱訊號 + 強干擾 + 寄生 + 功耗限制」下，做一個可交付的 RF 動態前端。
🧠 二、LNA 的五大規格（RF 工程語言）
你談 LNA，通常就這五件事：
2.1 NF（Noise Figure，雜訊指數）
- NF 越小越好
- 直接決定接收靈敏度（Sensitivity）
直覺：👉 NF 越低，越能聽到更遠更弱的訊號。
2.2 Gain（增益）
- 要足夠大，讓後級雜訊被「壓下去」
- 但太大可能推爆後級（壓縮/失真）
2.3 S11（輸入匹配/反射）
- 常見目標：S11 < -10 dB（依系統可更嚴）
直覺：👉 不匹配 = 能量反射 = 你根本沒把訊號送進 LNA。
2.4 IIP3 / P1dB（線性）
- IIP3 高：抗干擾強
- P1dB 高：大訊號不容易壓縮
直覺：👉 弱訊號旁邊常有強干擾；線性差會把你要的訊號在非線性裡打碎。
2.5 Stability（穩定）
- RF 最怕自激震盪
- 要頻帶內 + 帶外都穩（含封裝/版圖寄生）
🧠 三、元件層核心直覺：你在「買 gm」，但要把它用乾淨
RF LNA 的第一性原理常可簡化成：
👉 大 gm = 好增益 +（趨勢上）較好雜訊表現
但不能只追 gm：
- gm ↑ 常意味 Id ↑（功耗上升）
- 器件做大 → 寄生 C ↑（匹配更難、帶寬更難）
- gm ↑ 也可能讓 穩定與線性更難管
所以你真正做的是：
✅ 用 Id 買 gm → 用退化/匹配把 gm 變可控 → 用隔離/穩定策略避免自激
🧠 四、經典拓撲：CS + 源退化電感（CS + Ls）
CMOS LNA 最典型之一（1~6 GHz 特常見）：
VDD
|
Ld (負載電感/諧振負載)
|
Vout o-------o
|
M1 (共源)
Vin o--Lg---|
|
Ls (源退化電感)
|
GND
4.1 為什麼 Ls 這麼神？
Ls 常同時幫你做三件事：
- 輸入匹配：把輸入阻抗拉向 50Ω
- 線性改善：像局部回授，降低非線性
- 穩定性改善：降低某些正回授風險
👉 一顆 Ls = 同時買匹配 + 線性 + 穩定（超高 CP 值）
4.2 Lg 在做什麼？
- 多用來與輸入電容形成諧振/匹配
- 幫你把 S11 壓下去
🧠 五、Cascode 在 LNA 的角色：隔離、增益、穩定
當你要更好的隔離/穩定，常上 cascode：
VDD
|
Ld
|
Vout o-------o
|
M2 (cascode)
|
M1 (input CS)
Vin o--Lg---|
|
Ls
|
GND
直覺：
- M2 把輸出端擺幅隔離，減少回灌到輸入（降低 Miller/反向耦合）
- 隔離好 → S12 小 → 更像單向放大器 → 穩定性更可靠
代價：
- headroom 吃緊（低供電更難）
- 偏壓更複雜
🧠 六、雜訊從哪裡來（元件層直覺）
先記一句就夠用：
👉 LNA 的雜訊主要由輸入晶體管 + 匹配網路損耗決定。
常見來源：
- M1 通道熱噪（常是主因）
- 1/f noise（低頻較敏感）
- 偏壓/電流源噪聲（耦合進來會很痛）
- 電感 Q 不夠造成的損耗（等效串聯電阻 → 熱噪 + 吃掉訊號）
👉 真實晶片：電感 Q 有限，Q 不夠 = 你用硬體把 SNR 變差。
🧠 七、線性為什麼難（IIP3 的直覺）
兩音干擾 f1、f2 會產生 IM3：2f1−f2、2f2−f1，常掉進通帶。
改善線性常用手段：
- 源退化（Ls 或 Rs）
- 提高 Id / headroom
- 局部回授、線性化技巧
但 trade-off 永遠存在：
👉 線性變好，常常會拉高功耗或讓 NF 變差。
🧠 八、穩定性：RF 比類比更殘酷（因為你要管帶外）
LNA 不只要在工作頻帶穩，還要防：
- 帶外寄生造成正回授
- 封裝/版圖寄生 L/C
- 電源/偏壓線回路、去耦不良
常見穩定策略：
- cascode 增隔離
- gate/輸入加小電阻（抑制 Q 過高）
- 電源去耦、地回流設計
- 版圖隔離（guard ring、deep nwell）
🧠 九、LNA 的設計流程（高科技實務導向）
例：2.4 GHz 規格
- NF < 2 dB、Gain > 15 dB、S11 < -10 dB
- IIP3 > -5 dBm、功耗 < 10 mW
流程（業界順序感）：
- 選拓撲：CS+Ls 或 cascode CS+Ls（看隔離/供電）
- 分配功耗：先決定 Id（買 gm）
- 定尺寸：選 W/L（注意寄生 C）
- 做輸入匹配：Lg、Ls + Cin 讓 Zin ≈ 50Ω
- 做負載/諧振：Ld + Cout 拉增益、定頻帶
- 跑 NF（含 Q/損耗模型）
- 跑兩音 IM3（估 IIP3）
- 跑 stability（頻帶內外 + corner）
- PEX 後再跑一次（很多真相在 PEX 才出現）
🧾 十、一句話記住本單元
👉 用電流買 gm 壓 NF、撐增益；用源退化與匹配網路讓它可控；用 cascode/穩定策略防帶外自激；最後在 Q、寄生、PVT 下驗證可量產。
🔬 電子學實驗題（72/120）
實驗名稱
CS+Ls LNA 的四大實務驗證：S11 匹配、NF、兩音 IM3、穩定性（含負載與寄生掃描模板）
✅ 交付量測清單（每個 case 都要記）
- S11（f0 附近是否 < -10 dB）與 Zin（實部/虛部）
- NF（理想電感 vs 有限 Q）
- IM3 與 IIP3（外推）
- 穩定性（頻帶內外掃頻 + corner）
-（加分）PEX 後重跑比較差異
🔧 實驗接線 ASCII 圖（概念）
50Ω source Lg M1
Vin o---/\/\/\---^^^^---o---|\
gate | \
| \----o Vout -- Ld -- VDD
| /
Ls /
|/
GND
(輸出端接 50Ω load 或指定負載)
A) S11：先把輸入匹配做對（不然後面都是假的）
題目（操作）
- 設目標頻率 f0（例：2.4 GHz）
- 初始給一組 Lg、Ls（粗估/經驗）
- 跑 S-parameter，觀察 S11 曲線
- 微調 Lg/Ls：讓 f0 附近 S11 最低
- 記錄達標時的 Zin（實部接近 50Ω、虛部接近 0）
答案（標準結果）
- f0 附近 S11 下降到 < -10 dB（常可做到更低）
- 同時 Zin ≈ 50Ω + j0（至少接近）
解析（為什麼）
- 匹配成功代表反射小，能量進得來
- S11 沒先達標，NF/Gain/IIP3 量到的數字會失真（因為你其實沒有把訊號送進 LNA）
B) NF：加入電感損耗（Q 值）看真實 NF
題目（操作）
- 先用理想電感跑一次 NF（得到「教科書 NF」）
- 把 Lg/Ls/Ld 加入串聯電阻（模擬 Q 有限）
- 再跑一次 NF
- 比較 NF 變化，記錄哪顆電感最影響（常見是輸入端相關）
答案（標準結果）
- Q 降低（損耗↑）→ NF 明顯變差
- 常見：理想 NF 很漂亮，但一加損耗就上升（更貼近量產真相）
解析（為什麼）
- 電感損耗等效串聯電阻 → 產生熱噪、還吃掉訊號能量
- 這等同於把輸入 SNR 先降一截 → NF 直接變差
C) 兩音 IM3：估 IIP3（抗干擾能力）
題目（操作）
- 設兩音：f1=f0−Δf、f2=f0+Δf（例：Δf=1 MHz）
- 逐步增加 Pin（小到大）
- 做頻譜分析：記錄 f1、f2 與 IM3（2f1−f2、2f2−f1）功率
- 用外推法估 IIP3（找 fundamental 與 IM3 的交點）
答案（標準結果）
- Pin 增加時：fundamental 斜率約 1、IM3 斜率約 3
- 增加退化（Ls 或 Rs）通常 IM3 下降、IIP3 提升（但可能要付出增益/NF 代價）
解析（為什麼）
- IM3 是非線性三次項主導，會以更快速度上升
- 退化像局部回授：削弱 gm 非線性高次項 → IM3 下降 → IIP3 上升
D) Stability：看頻帶內外是否可能自激
題目（操作）
- 跑穩定性指標（或做 loop-breaking 檢查）
- 掃頻範圍比工作頻帶大很多（例如到數十 GHz）
- 加入寄生：走線 L、pad C、電源去耦不足等
- 觀察是否出現帶外危險峰值或正回授條件
- 嘗試加 gate 小電阻或改 cascode，比較改善
答案（標準結果）
- 常見：工作頻帶內看似穩，但帶外出現危險峰值（寄生回授路徑）
- 加 cascode 或 gate 小電阻後，危險峰值常下降，穩定性改善
解析（為什麼）
- RF 最常死在「帶外寄生回授」：封裝/版圖的路徑會在高頻偷跑
- 所以穩定性要掃很遠，並且要用更接近真實的寄生模型
❓思考問題（5 題）＋解析（保留做收斂）
問題 1：為什麼 S11 不先達標，NF/Gain/IIP3 可能沒意義？
答案解析：輸入不匹配能量反射，進不到 LNA 的功率變少，量到的結果不反映系統真實狀態。
問題 2：為什麼電感 Q 值會直接影響 NF？
答案解析：Q 有限等效串聯電阻，引入熱噪並消耗信號功率，等同於先降低 SNR。
問題 3：為什麼源退化能改善 IIP3？
答案解析：源退化引入局部回授，抑制 gm 非線性高次項，IM3 下降。
問題 4：為什麼 cascode 可提高隔離與穩定？
答案解析：抑制輸出回灌到輸入（減少 Miller/反向耦合），更接近單向放大器。
問題 5：為什麼穩定性要掃到帶外很遠？
答案解析：封裝/寄生會在高頻形成回授路徑，可能在非工作頻帶自激，影響整機。
🧠 本單元結尾
回到 RF 現場，LNA 不是「把訊號放大」而已，而是把整台接收機的底線先立起來：先把 S11 做對讓能量進得來，再用 gm 與匹配網路把 NF 壓住，用退化與架構撐住 IIP3，最後把帶內外穩定性鎖死。當你能在 Q、寄生、PVT、PEX 都不翻車，你交付的才是一顆能量產、能上系統、能扛干擾的 LNA。
