無線設(shè)計(jì)中LNA和PA的基本原理

1、對性能、微型化和更高頻率運(yùn)行的推動(dòng)正在挑戰(zhàn)無線系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)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)。使5G成為現(xiàn)實(shí)的努力，以及 PA和LNA在VSAT端子、微波無線電鏈路和相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的使用促成了這種轉(zhuǎn)變。這些應(yīng)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(dá)或高于 10LNA和PA制造商正在從傳統(tǒng)GHz的較高頻率下的運(yùn)行。為了滿足這些日益增長的需求,的全硅工藝轉(zhuǎn)向用于 LNA的神化錢(GaAs)和用于PA的氮化錢(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器件以及在利用這些器件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)牢記的

2、事項(xiàng)。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(shù)量級的信號或者0.5 至IJ 1 V （圖 1 ）。低于-100 dBm ,然后將該信號放大至一個(gè)更有用的水平，通常約為具體來看，在 50 系統(tǒng)中10 N 為-87 dBm , 100 陽 等于-67 dBm。利用現(xiàn)代電子技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)這樣的增益，但LNA在微弱的輸入信號中加入各種噪聲時(shí)，問題將遠(yuǎn)不是那么簡單。LNA的放大優(yōu)勢會(huì)在這樣的噪聲中完全消失。SyitemAntennaDuplexer圖1 :接收路徑的低噪聲放大器(LNA)和發(fā)送路徑的功率放大器(PA)經(jīng)由雙工器連接到天線，雙工器分開兩個(gè)信號，并

3、防止相對強(qiáng)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(gè)充滿未知的世界中。作為收發(fā)器通道的前端,LNA必須能捕捉并放大相關(guān)帶寬內(nèi)功耗極低的低電壓信號以及天線造成的相關(guān)隨機(jī)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(shù)是噪聲系數(shù)（NF）、增益和線性度。噪聲來自熱源及其它噪聲源，噪聲系數(shù) 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(shè)計(jì)采用在低增益、低NF級后加一個(gè)更高增益級的級聯(lián)放大器，這種設(shè)計(jì)可能達(dá)到較高的 NF ,不過

4、 一旦初始信號已經(jīng)“增大”，這樣做就變得不那么重要。（有關(guān) LNA、噪聲和射頻接收器 的詳細(xì)內(nèi)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(gè)問題是非線性度，因?yàn)楹铣芍C波和互調(diào)失真可使接收到的信號質(zhì)量惡化，在位誤差率（BER）相當(dāng)?shù)蜁r(shí)使得信號解調(diào)和解碼變得更加困難。通常用三階交調(diào)點(diǎn)（IP3）作為線性度的特征化參數(shù)，將三階非線性項(xiàng)引起的非線性乘積與以線性方式放大的信號關(guān)聯(lián)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(zhì)而言，絕大多數(shù)LNA是功耗相當(dāng)?shù)颓译娏飨脑?0 - 100 mA 之間的器件，它們

5、向下一級提供電壓增益，但不會(huì)向負(fù)載輸送功 率。此外，系統(tǒng)中僅采用一個(gè)或者兩個(gè)LNA （后者常用于 Wi-Fi和5G等接口的多功能天線設(shè)計(jì)中），因此通過低功耗LNA節(jié)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(yīng)對輸入信號的寬動(dòng)態(tài)范圍，而不會(huì)出現(xiàn)過載、飽和。在基站至手機(jī)通道 損耗范圍寬的移動(dòng)應(yīng)用中，輸入信號強(qiáng)度變化范圍如此之寬的情況會(huì)經(jīng)常遇到，即使單連 接循環(huán)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(guī)格一樣重要。因此，設(shè)計(jì) 人員必須使用復(fù)雜的建模和布局工具來實(shí)現(xiàn)LNA的全部潛在性能。由于布局或阻抗匹配不佳，優(yōu)

6、質(zhì)元器件可能容易劣化，因此務(wù)必要使用供應(yīng)商提供的史密斯圓圖（參見“史密 斯圓圖：射頻設(shè)計(jì)中依舊至關(guān)重要的一個(gè)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(nèi)工作的高性能 LNA供應(yīng)商均會(huì)提供評估板或經(jīng)過驗(yàn)證的印刷電路板布局，因?yàn)闇y試設(shè)置的每個(gè)方面都至關(guān)重要，包括布局、連接器、接地、 旁路和電源。沒有這些資源，設(shè)計(jì)人員就需要浪費(fèi)時(shí)間來評估元器件在其應(yīng)用中的性能?；贕aAs的LNA 的一個(gè)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

7、 4X4 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(shù)和+ 23 dBm 的 高IP3。該器件可從單個(gè)+3 V電源提取75 mA電流。N A NANAN/C GND RFOUT GND N/C N/Cc D N D c C/ NFIN / /N G R G N NJCJOJOOFRLRR匚、 baseNNNNNN 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(shù)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(gè)外部電容器都需要一個(gè)

8、設(shè)計(jì)進(jìn)程，提供適當(dāng) 的射頻旁路，在三個(gè)電源軌饋電上具有低寄生效應(yīng)，指定為 Vdd （圖3）。J4Vdd1Ydd2J5VddJOC7 p4.7uF 豐CX IIQQOpF 亍1 tOOpFca4,7uFC5 廠WOOpF 二二C2lOOpFC94.7 uFC6IQOQpFH 65%。與LNA 一樣，評估電路和參考設(shè)計(jì)至關(guān)重要（圖 8）。圖8:除了器件本身之外，為 CGHV14800F PA 提供的演示電路需要的元器件非常少，但物理布局和散熱考慮很關(guān)鍵；考慮安裝完整性和熱目標(biāo)，PA通過封裝法蘭以螺釘和螺母（在底部，不可見）固定到板上。（圖片來源： Cree/Wolfspeed ）許多規(guī)格表和性能曲

9、線中同樣重要的是功率耗散降額曲線（圖9）。該曲線顯示了可用的功率輸出額定值與外殼溫度的關(guān)系，指示最大允許功率是恒定的115 C,然后線性減小到150 C的最大額定值。Lnaximjm CaseTerYperacure fC）圖9:由于其在輸送功率方面的作用，需要 PA降額曲線向設(shè)計(jì)人員顯示允許輸出功率隨 著外殼溫度的升高而降低。這里，額定功率在115?C之后迅速下降。（圖片來源：Cree/Wolfspeed ）MACOM 還提供了基于 GaN的PA,例如NPT1007 GaN 晶體管（圖10）。其直流至 1200 MHz 的頻率跨度適用于寬帶和窄帶射頻應(yīng)用。該器件通常以14到28 V之間的單電

10、源工作，可在 900 MHz 提供18 dB的小信號增益。該設(shè)計(jì)旨在耐受10:1 SWR （駐波比）不匹配，且不會(huì)發(fā)生器件退化。圖10: MACOM 的NPT1007 GaN PA 跨越直流到1200 MHz 的范圍，適用于寬帶和窄帶射頻應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員通過各種負(fù)載拉伸圖獲得額外支持。（圖片來源：MACOM ）除了顯示500、900和1200 MHz時(shí)性能基礎(chǔ)的圖外， NPT1007 還支持各種“負(fù)載拉伸” 圖，為努力確保穩(wěn)定產(chǎn)品（圖 11 ）的電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供幫助。負(fù)載拉伸測試使用成對信號源和信號分析儀（頻譜分析儀、功率計(jì)或矢量接收器）完成。該測試要求看到被測設(shè)備（DUT）的阻抗變化，以

11、評估 PA的性能（包括諸如輸出功率、增 益和能效等因素），因?yàn)樗邢嚓P(guān)的元器件值可能由于溫度變化或由于圍繞其標(biāo)稱值的公 差帶內(nèi)的變化而改變。圖11 : NPT1007 PA 的負(fù)載拉伸圖超出了最小 /最大/典型規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)表，以在其負(fù)載阻抗偏離其標(biāo)稱值（初始生產(chǎn)公差以及熱漂移會(huì)導(dǎo)致實(shí)際使用中出現(xiàn)這種情況）時(shí)顯示PA性能。（圖片來源：MACOM ）無論使用哪種PA工藝，器件的輸出阻抗均必須由供應(yīng)商進(jìn)行充分特征化，使設(shè)計(jì)人員能 將該器件與天線正確匹配，實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸并盡可能保持SWR 一致。匹配電路主要由電容器和電感器構(gòu)成，并且可實(shí)現(xiàn)為分立器件，或者制造為印刷電路板甚至產(chǎn)品封裝的 一部分。其設(shè)計(jì)還必須維持 PA功率水平。再次重申，史密斯圓圖等工具的使用，是理解 并進(jìn)行必要的阻抗匹配的關(guān)鍵。鑒于PA較小的芯片尺寸和較高的功率水平，封裝對 PA來講是一個(gè)關(guān)鍵問題。如前所述， 許多PA通過寬的散熱封裝引線和法蘭支撐以及封裝下的散熱片散熱，作為到印刷電路板 銅皮的路徑。在較高功率水平（約高于5至10 W） , PA可以有銅帽，使散熱器可以安裝在頂部，并且可能需要風(fēng)扇或其它先進(jìn)的冷卻技術(shù)。PA本身保持GaN PA相關(guān)的額定功率和小尺寸意味著對熱環(huán)境建模至關(guān)重要。當(dāng)然，將在允許的情況或結(jié)溫范圍內(nèi)是不夠的。從PA散去的熱量