無線設(shè)計(jì)中LNA和PA的基本原理

1、無線設(shè)計(jì)中LNA和PA的基本原理一、引言對性能、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10 GHz的較高頻率下的運(yùn)彳行 為了滿足這些日益增長的需求，LNA和PA制造商正在從傳 統(tǒng)的全硅工藝轉(zhuǎn)向用于LNA的碑化鎵(GaAs)和用于PA的 氮化鎵(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

2、和GaN器件以及在利用這些器件進(jìn)行 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)牢記的事項(xiàng)。二、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0.5到1 V(圖1 )。 具體來看，在50 Q系統(tǒng)中10 為-87 dBm , 100 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。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

3、，并防止相對強(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

4、NF，不過一旦初始信號已經(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

5、的器件，它們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。-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

6、局或阻抗匹 配不佳，優(yōu)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

7、2 ）。這種無引線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/CGMDRFOUTGNDN/CN/CooooooNnnNNNc D N D c C / N n N / / N G R G N NPACKAGE：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)設(shè)計(jì)進(jìn)

8、程，提供適當(dāng)?shù)纳漕l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）。圖3 :在實(shí)際應(yīng)用中，HMC519LC4TR LNA在其電源軌上4IfE)0需要多個(gè)額定電壓相同的旁路電容器，以提供用于低頻濾波 的大電容以及用于射頻旁路的較小值電容，從而最大程度地 減少射頻寄生效應(yīng)。(圖片來源：Analog Devices)根據(jù)此增強(qiáng)原理圖生成評估板，詳細(xì)說明布局和BOM， 包括非FR4印刷電路板材料的使用(圖4(a)和4(b)。J3 J4 J5 J6圖 4(a)List of Msterial for Evaluation PCS 119667 mIte-rnDcscripilionJt J

9、2總鴕EE PCD mQunl臥8叩蚌血J3-J6DC PinCL C2, C3WOpF Capacitor, 0402 Pkj.C4； CS.CfidO00pF Capac itorr OiCS ps(g.C7, C&34r7 CapacrtcirP TantalumU1HMC519LC4 AmpliErPGB海5網(wǎng)岫岫PCBI】 ReJerence Ihis number when o：tferinq complete evaluation PCB、-或PJ Circuit Boird Malerial Rogers 4350.圖 4(b)圖4 :考慮到這些LNA前端工作的高頻率和它們必須

10、捕 獲的低電平信號，一個(gè)詳細(xì)且經(jīng)測試的評估設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 其中包括一份原理圖(未顯示)、電路板布局(a)和BOM， 及無源元器件和印刷電路板材料(b)的細(xì)節(jié)。(圖片來源： Analog Devices)MACOM MAAL-011111是用于更高頻率的GaAs LNA，可 支持22至38 GHz運(yùn)行（圖5 ）。該器件可提供19 dB的小 信號增益和2.5 dB的噪聲系數(shù)。此LNA表面上是一個(gè)單級 器件，但其內(nèi)部實(shí)際有三個(gè)級聯(lián)級。第一級針對最低噪聲和 中等增益進(jìn)行了優(yōu)化，后續(xù)級別提供額外增益。圖5 :對用戶來說，MAAL-011111 LNA表面上是一個(gè)單 級放大器，但其內(nèi)部使用了一系列增益級，

11、旨在最大化輸入 到輸出信號路徑SNR，同時(shí)在輸出端增加顯著增益。（圖片 來源：MACOM）與 Analog Devices 的 LNA 類似，MAAL-011111 只需要 個(gè)低壓電源，且尺寸僅為3X3 mm，極為小巧。用戶可以 通過將偏置（電源）電壓設(shè)置在3.0和3.6 V之間的不同值 來調(diào)整和權(quán)衡某些性能規(guī)格。建議電路板布局顯示保持適當(dāng) 的阻抗匹配和地平面性能所需的關(guān)鍵印刷電路板銅皮尺寸 （圖 6）。0.120RFIn0.025 -4 PL 0.0254 PL1I-C.012 0.008r0.012|-0.0280.0170.064RFCut:建議的布局，充分利用了 MACOM的MAAL-

12、011111，同時(shí)提供輸入和輸出阻抗匹配。注意，對于 阻抗控制型傳輸線以及低阻抗地平面，使用印刷電路板銅皮 （尺寸以毫米為單位）。（圖片來源：MACOM）三、PA驅(qū)動(dòng)天線與LNA困難的信號捕獲挑戰(zhàn)相反，PA則是從電路中獲 取相對強(qiáng)的信號，具有很高的SNR，且必須用來提高信號功 率。與信號有關(guān)的所有通用系數(shù)均已知，如幅值、調(diào)制、波 形、占空比等。這就是信號處理圖中的已知信號/已知噪聲象 限，是最容易應(yīng)對的。PA的主要參數(shù)為相關(guān)頻率下的功率輸出，其典型增益 在+10至+30 dB之間。能效是PA參數(shù)中僅次于增益的又一 關(guān)鍵參數(shù)，但是使用模型、調(diào)制、占空比、允許失真度以及 受驅(qū)信號的其它方面會(huì)使任何

13、能效評估變得復(fù)雜。PA的能 交攵在30到80%之間，但這在很大程度上是由多種因素決定 的。線性度也是PA的關(guān)鍵參數(shù)，與在LNA 一樣用IP3值判定。盡管許多PA采用低功耗CMOS技術(shù)（最高約1至5 W），但在最近幾年里，其它技術(shù)業(yè)已發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng) 用，在考慮將能效作為電池續(xù)航時(shí)間和散熱的關(guān)鍵指標(biāo)的更 高功率水平的情況下，尤其如此。在需要幾個(gè)瓦特或更高功 率的情況下，采用氮化鎵（GaN）的PA在更高功率和頻率（典 型值為1 GHz）下具有更優(yōu)的能效。尤其是考慮到能效和功 率耗散時(shí)，GaN PA極具成本競爭力。Cree/Wolfspeed CGHV14800F（ 1200 至lj 1400 M

14、Hz，800 W 器件）是最新的一些基于GaN的PA代表。這種HEMT PA的 能效、增益和帶寬組合對脈沖L波段雷達(dá)放大器進(jìn)行了優(yōu) 化，使設(shè)計(jì)人員能夠在空中流量管制（ATC）、天氣、反導(dǎo)和目 標(biāo)跟蹤系統(tǒng)等應(yīng)用中找到許多用途。使用50 V電源，提供 50%及更高的典型能量轉(zhuǎn)換效率，并采用10 X20 mm陶瓷 封裝，帶有用于冷卻的金屬法蘭（圖7 ）。圖 7 :CGHV14800F 1200 至 1400 MHz ,800 W ,GaN PA 具 有金屬法蘭的10 X20 mm陶瓷封裝必須同時(shí)滿足困難的射 頻和散熱要求。出于機(jī)械和熱完整性考慮，注意安裝法蘭時(shí)將封裝旋緊（不焊接）到印刷電路板。（圖片

15、來源：Cree/Wolfspeed ）CGHV14800F采用50 V電源供電通常提供14 dB的功 率增益，能量轉(zhuǎn)換效率 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115C，然后線性 減小到

16、150C的最大額定值。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lj 1200MHz

17、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?有相關(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。V1.史嵌圖11 :NPT1007 PA的負(fù)載拉伸圖超出了最小/最大/典型規(guī)格

18、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。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