基于基礎(chǔ)架構(gòu)接收器的超低噪聲放大器設(shè)計方案

引言

放大器要適用于無線基礎(chǔ)架構(gòu)接收器，必須滿足低噪聲、高線性度和無條件穩(wěn)定性等關(guān)鍵要求。為此，Skyworks使用 0.5 微米增強(qiáng)型pHEMT（即E-pHEMT）技術(shù)開發(fā)了新的低噪聲放大器（LNA）系列。覆蓋 0.7–1.0 GHz的 SKY67101-396LF 和覆蓋 1.7–2.0 GHz 的SKY67100-396LF 適用于 GSM、WCDMA、TDSCDMA 和 LTE基礎(chǔ)架構(gòu)接收回路應(yīng)用。為降低成本和節(jié)省 PCB 空間，這些 LNA 均采用2x2毫米 QFN 封裝，且不同頻帶可使用相同的布線。

1 規(guī)格

噪聲系數(shù)（NF）性能是接收器系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，因為它描述的是對低電平信號的接收能力。噪聲系數(shù)越低，接收器的靈敏度越好。以三階交調(diào)截取點（IP3）表征了當(dāng)有頻率相近信號時，放大器抑制互調(diào)失真的能力。絕對穩(wěn)定性是指放大器在任何輸入或者輸出負(fù)載條件下都不會產(chǎn)生振蕩的能力。其它一些規(guī)格，包括電流消耗、回波損耗和人體模型靜電釋放（HBM ESD）等也同樣重要，在 LNA 設(shè)計過程中也必須對其加以考慮。

為了以最小的代價獲取最優(yōu)化的性能，需要采用一些特殊的設(shè)計技術(shù)。低頻帶和高頻帶 LNA 的目標(biāo)規(guī)格如表 1所示。

表 1. VDD = 5 V，溫度 = 25°C 條件下的 LNA 規(guī)格

2 技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

選擇為獲得優(yōu)秀的 RF 性能、超低的噪聲和高線性度，設(shè)計選擇使用 0.5 μm 增強(qiáng)型 pHEMT 技術(shù)。由于該技術(shù)在FET 的門極只需要正電壓，因而也簡化了 MMIC 設(shè)計。

這樣就可以直接把電源接地，并且無需額外元件構(gòu)成自偏置結(jié)構(gòu)。電路仿真也因此可以相當(dāng)精確。

設(shè)計采用了具備高帶寬、高增益和高反向隔離度等特點的共源共柵 LNA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 設(shè)計步驟

本論文將詳細(xì)講述 SKY67101-396LF 900 MHz LNA 的設(shè)計方案。SKY67100-396LF 1900 MHz 的設(shè)計使用相同的方法，通過頻率調(diào)整技術(shù)實現(xiàn)。低頻帶和高頻帶的測量結(jié)果和仿真結(jié)果顯示在“仿真和測量結(jié)果比較”部分。

3.1 偏置電路

圖 1 顯示的是隨溫度、制程和電源電壓變化，將 LNA 的電流消耗穩(wěn)定在大約 55 mA 左右的主動調(diào)節(jié)偏置電路。

R1 用于通過設(shè)置引腳 4 的電壓來設(shè)置偏置總電流。電源偏置的任何波動將由有源偏置電路進(jìn)行穩(wěn)定處理。通過L1 電感器，引腳2獲得經(jīng)過穩(wěn)定處理的門極電壓。這些元件還用于實現(xiàn)輸入阻抗和噪聲系數(shù)源阻抗的匹配。

溫度變化（-40 °C 至 +80°C）時電源電流的測量值與仿真值差異約為 3 mA（如圖2所示）。

3.2 噪聲系數(shù)（NF）和輸入匹配

噪聲系數(shù)和輸入回波損耗是 LNA 設(shè)計中的主要因素。

共源共柵設(shè)計的第一級旨在獲得最佳的噪聲系數(shù)、輸出阻抗匹配和目標(biāo)漏源電流（Ids）下的 P1dB。而緩沖級則是在不影響其它性能規(guī)格的前提下獲取最佳的 IP3 性能、輸出匹配和 P1dB。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過源極反饋幾乎可以在所有阻抗下保持穩(wěn)定（在添加級間網(wǎng)絡(luò)、輸出網(wǎng)絡(luò)、傳輸線路損耗和 SMT 元件寄生阻抗后，可以實現(xiàn)絕對穩(wěn)定。請參閱“線性度”和“穩(wěn)定性”部分）。圖3 顯示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻率變化時的增益和 NFmin 最小噪聲系數(shù)）權(quán)衡。

圖 4 顯示 900 MHz 時共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在史密斯圖中源極穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的噪聲系數(shù)常量圓、源級穩(wěn)定性圓和可用的增益圓。

考慮 SMT 元件的寄生效應(yīng)和傳輸線路損耗，在 0.4 dB噪聲圓和 18 dB 增益圓內(nèi)選中源阻抗點 Zs = 64 + j44Ω，作為噪聲、增益和輸入回波損耗匹配之間的權(quán)衡點。

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由 C1、C2 和 L1 實現(xiàn)。C1 和 L1 選用高Q 元件以獲取最佳的噪聲系數(shù)。C1 還用于直流阻隔。有關(guān)仿真增益、輸入回波損耗和噪聲系數(shù)的信息，請參閱“仿真和測量結(jié)果比較”部分。

3.3 線性度（OIP3）和 P1 dB

帶內(nèi)和帶外的輸入、輸出端接負(fù)載，將直接影響放大器的線性度。放大器的輸入和輸出負(fù)載可以通過源和負(fù)載牽引技術(shù)掃描得到。在這里，負(fù)載牽引的測量是在源匹配完成之后進(jìn)行的。

源與阻抗 Zs = 64 + j44 Ω 完成匹配獲得所需的 NF、輸入回波損耗和偏置電流增益后，P1 dB 和 OIP3 將取決于輸出匹配和反饋網(wǎng)絡(luò)。使用仿真模型估算 0.9 GHz 下兩個相隔 5 MHz 的音調(diào)的 OIP3，每個音調(diào)的輸入功率為PIN = -20 dBm。圖 5 在史密斯圖上顯示了負(fù)載牽引阻抗，其中的圓表示 0.9 GHz 下最佳的 OIP3 區(qū)域。

圖 6 顯示 0.9 GHz 下的 OIP3 和輸出功率等高線。

最終的負(fù)載牽引仿真和匹配應(yīng)在連接好輸入和輸出匹配電路（如圖 1 所示）后執(zhí)行。完成源和負(fù)載匹配后，OIP3 和 P1 dB 仿真結(jié)果分別顯示在圖 7 和圖 8 中。

3.4 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是 LNA 最重要的要求之一。典型的規(guī)格要求實現(xiàn)最高 18 GHz 頻率下絕對穩(wěn)定工作。每一級設(shè)計也必須符合絕對穩(wěn)定工作的要求，包括所有條件下的所有外部元件和偏置。在此頻率范圍內(nèi)的多數(shù)情況下，高增益、低噪聲的設(shè)備往往會變得非常不穩(wěn)定。為了穩(wěn)定設(shè)備同時滿足這些要求，必須采用多種穩(wěn)定性設(shè)計技術(shù)。

為解決低工作頻率下的穩(wěn)定性問題，通常在源極會采用一個電感。

用于輸入和噪聲系數(shù)匹配的源極反饋電感器也可以用來實現(xiàn)穩(wěn)定性。常用的一種技術(shù)是使用串并行 LR 網(wǎng)絡(luò)。

這種網(wǎng)絡(luò)的作用是在低頻率時充當(dāng)?shù)妥杩梗诟哳l率時充當(dāng)高阻抗。

另一種常用的技術(shù)是從漏極到接地之間連接串并聯(lián) CR網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)的作用是在高頻率時充當(dāng)分流電阻，而在低頻率時充當(dāng)高阻抗。接地的分流電阻有利于穩(wěn)定設(shè)備。

還有一種用來改善穩(wěn)定性的方法，那便是在設(shè)備的輸出和輸入之間使用并聯(lián)反饋。不過這種方法會降低噪聲系數(shù)。因此，它通常用在第二級（緩沖）設(shè)計中，而不用于第一級設(shè)計。這種反饋也有利于 IP3、回波損耗（RL）和增益調(diào)整。

穩(wěn)定電路集成于共源共柵 LNA 中。SKY67100 和SKY67101 最終的仿真穩(wěn)定性和測量穩(wěn)定性結(jié)果如圖 16 和 17 所示。

3.5 靜電釋放因素

靜電釋放（ESD）指的是處于不同靜電位的物體或表面之間發(fā)生的靜電轉(zhuǎn)移，它對半導(dǎo)體器件具有極大的破壞性。ESD 必須在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段予以解決。設(shè)計中使用功率鉗制、二極管和疊接二極管 ESD 保護(hù)電路在所有引腳組合間獲得 1A 級（>250 V）的 HBM 額定值。

設(shè)計方案中的其它部件也使用 ESD 保護(hù)電路，但需要特別注意確保不會降低小信號、大信號和噪聲系數(shù)性能。

4 布線

SKY67100/SKY67101 應(yīng)用測試板布線的設(shè)計旨在盡可能獲得最低噪聲系數(shù)和最佳穩(wěn)定性。測試板為在 50 mil厚的 FR4 基底上疊加 10 mil 厚的 Rogers 4350B 基板。RF 電路中選擇使用 Rogers 4350B 材料，是由于它具有介電常數(shù)（εr）低、介電常數(shù)不易受隨溫度變化的影響等特點，能實現(xiàn)最佳的噪聲性能。成本相對較低的FR4 材料則用于承載其余壓層，并提高機(jī)械剛度和厚度。微帶線寬度和空間設(shè)計能夠接受常用的 0402 尺寸的表面安裝元件，同時維持統(tǒng)一的 50 Ω。覆銅厚度為1.4 mil，可減少電路損耗及其對噪聲系數(shù)的累加效應(yīng)。

5 元件選擇

圖9 顯示的是測試板原理圖。輸入元件 C1、C2 和 L1決定了設(shè)備的輸入匹配和噪聲系數(shù)。為獲得最佳的噪聲系數(shù)，推薦使用高 Q 值元件。

如果需要增益調(diào)整，元件 R2 和 C4 可構(gòu)成設(shè)備的反饋電路。

輸出匹配通過元件 L2 和 C5 實現(xiàn)。

L2 還在偏置電路中用來對元件 C6、C7 和 C8 去耦合。

通過微調(diào)輸出匹配，可以優(yōu)化線性度。

6 仿真和測量結(jié)果比較

圖10 和11 描述了 SKY67100-396LF（1.9 GHz）和SKY67101-396LF（0.9 GHz）隨寬帶頻率范圍變化得到的測量和仿真增益曲線圖。SKY67101 在 0.9 GHz 的增益為 18.2 dB，SKY67100 在 1.9 GHz 的增益為 17.67dB。

0.9 GHz 測得的輸入和輸出回波損耗均高于 20 dB

圖13 描述了 SKY67100 設(shè)備的輸入和輸出回波損耗。

圖14 和15 顯示了帶內(nèi) OIP3 和 P1dB 性能。SKY67101的 OIP3 測量值在 900 +/- 5 MHz 獲得，而 SKY67100在 1950 +/- 5 MHz 獲得。

圖16 和17 展示了 SKY67101 和 SKY67100 各自的NF 性能測量值和仿真值對比?？紤]到輸入接頭和連接至第一個匹配元件的*估板傳輸線所造成的損耗，我們對 SKY67101 應(yīng)用了0.05 dB 的校正系數(shù)，并對 SKY67100 應(yīng)用了0.1 dB 的校正系數(shù)。

圖18 和19 描述了SKY67101 和SKY67100 各自的穩(wěn)定性性能測量值和仿真值。兩個設(shè)備隨帶寬范圍變化所顯示的無條件穩(wěn)定性均為 B > 0，Rollet 穩(wěn)定性系數(shù)K >1。

7 結(jié)論

本文展示的是兩個低噪聲、高線性度放大器產(chǎn)品SKY67100 和 SKY67101 的設(shè)計方案。這些 LNA 均采用共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型 pHEMT 器件實現(xiàn)，適用于各種無線基礎(chǔ)架構(gòu)產(chǎn)品的接收器應(yīng)用。它們都采用小型、低成本的2x2毫米 QFN 封裝并使用通用的引腳和布線設(shè)計。