Cascode LNA 優化比較 — 高中程度解說

主題： 低雜訊放大器（LNA）原始版本 vs. 優化版本

什麼是 LNA？

LNA（Low Noise Amplifier，低雜訊放大器）的工作是把微弱的無線電訊號放大，同時盡量不加入雜音。手機、Wi-Fi、雷達等無線通訊都靠它。就像麥克風把聲音放大，好的麥克風不會「沙沙作響」。

什麼是 Cascode（疊接）結構？

Cascode 把兩個電晶體 M₁ 和 M₂ 疊在一起：

• M₁（下層） — 接收輸入訊號
• M₂（上層） — 隔離輸入與輸出，讓電路更穩定、增益更高

想像成兩個人接力傳球，比一個人丟更準更遠。

優化前 vs. 優化後

優化的三個關鍵改動

1. 新增 Tapped-C 輸出匹配網路

原始版本輸出端只有一個直流阻隔電容 Cᵈ，幾乎沒有匹配，S₂₂ 只有 −0.6 dB（很差）。優化版本加了 C₁（348 fF）和 C₂（1284 fF）組成的電容分壓器，利用比例 n = C₁/(C₁+C₂) ≈ 0.21 把高阻抗（16180 Ω）變換為接近 50 Ω，讓輸出端和後級電路「匹配」——就像插頭和插座要對才能傳電。

2. 電晶體縮小

寬度從 50 µm 縮小至 31.4 µm（縮小 37%）。較小的電晶體雜訊更少，功耗也降低。

3. 差分演化演算法自動搜尋

使用 Differential Evolution 演算法，同時調整 5 個參數，經過 25,000 次計算（耗時 5.4 秒），找出最佳設計組合。等於讓電腦「試了 25,000 種排列」選出最好的一組。

蜘蛛網圖（雷達圖）說明

五角形的五個軸分別代表：

• Gain — 放大能力
• 1/NF — 低雜訊（雜訊越小，此值越大）
• S₁₁ — 輸入匹配
• S₂₂ — 輸出匹配
• Effic. — 功率利用率

綠色大五邊形 = 優化後，灰色小五邊形 = 原始。優化後幾乎每個面向都明顯擴大。

一句話總結

透過加入輸出匹配電路和演算法自動調參，放大器增益從 7.7 dB 跳升到 20 dB（約 10 倍），同時雜訊更低、輸出阻抗也匹配了——訊號可以更有效地傳出去。