如何充分使用低噪聲放大器解決方案？

隨著 5G 無線網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，無線電前端的性能在射頻接收器信號路徑中扮演著越來越關(guān)鍵的角色，對于低噪聲放大器 (LNA) 尤其如此。隨著適用于 LNA 的新型工藝技術(shù)（例如硅鍺 (SiGe)、砷化鎵 (GaAs) 和絕緣硅片 (SOI)）的出現(xiàn)，設(shè)計人員必須重新評估 LNA 參數(shù)（例如噪聲、靈敏度、帶寬和功率）的性能權(quán)衡，以便有效地使用這些工藝技術(shù)。

前端的重要性無論怎樣強調(diào)都不過分，因為它在很大程度上決定了系統(tǒng)在弱信號情況下的最終性能以及可實現(xiàn)的誤碼率。如果 LNA 的性能不合要求，為滿足 5G 性能要求而在電路和接收通道管理方面做出的其余設(shè)計努力都將收效甚微。

本文將討論 5G 的現(xiàn)狀及其對 LNA 性能的要求。隨后，本文將介紹采用最新工藝并有助于滿足這些要求的解決方案，以及如何充分利用這些解決方案。

5G 現(xiàn)狀簡述

任重道遠，但已邁出堅實的步伐：盡管 5G 的規(guī)格已經(jīng)最終敲定，但仍在逐步完善中。5G 很多令人向往的特性尚待定奪，還需要更多的會議探討和現(xiàn)場試驗，并征求元器件供應(yīng)商和無線運營商的意見。

不過，一些問題已經(jīng)昭然若揭：5G 設(shè)計將會占用新的電磁波譜塊，但一些初始實施仍將低于 6 千兆赫 (GHz)。大多數(shù) 5G 系統(tǒng)將在毫米波頻帶運行，在美國可使用 27 到 28 GHz 和 37 到 40 GHz 頻帶。一些初步分配的頻帶甚至高于 50 GHz。由于存在技術(shù)挑戰(zhàn)，第一批毫米波實施將使用 27 到 28 GHz 頻帶。

LNA 的具體作用

盡管 5G 規(guī)格提供了很多調(diào)制、功率、數(shù)據(jù)速率選項及其他一些功能，但通常它們大多與接收通道 LNA 關(guān)系不大。此元器件必須勝任一項任務(wù)，即捕獲并放大來自天線且被噪聲破壞的微弱信號，同時盡量減少增加的噪聲。因此，仔細研究 LNA 本身，而不是過度關(guān)注持續(xù)演化的更高層面的規(guī)格問題，才是明智之舉。

要在指定頻帶內(nèi)實現(xiàn)可接受的運行，主要的 LNA 規(guī)格是噪聲系數(shù) (NF)，即由 LNA 增加的固有噪聲量。對于 5G，尤其是接近 28 GHz 頻帶時，NF 通常需要介于 1 到 3 dB 之間，某些情況下，再高 1 到 2 dB 的噪聲也是可以接受的。通常需要介于 15 到 20 dB 之間的增益，才能將收到的信號升壓到可被后續(xù)的放大器、濾波器和數(shù)字化正確處理的范圍。

最后，1 dB 輸出壓縮點（被稱為 OP1 或 P1dB）和輸出三階交調(diào)點(OIP3) 的線性度相關(guān)系數(shù)分別需要至少為 -20 和 -35 dBm。在更低的 5G 頻帶，對于 OP1 和 OIP3 的這些要求則不那么嚴格，其中 OP1 為 -20 dBm 范圍內(nèi)，OIP3 為 -10 到 -15 dBm。請注意，負值越大，表示性能越高（-25 dBm 要優(yōu)于 -20 dBm），但很多規(guī)格書會省略負號，這樣會造成混淆。

從功能上看，LNA 只是很“簡單”的放大器，具有非?；镜目驁D - 通常只是一個放大器三角形 - 而且只需要幾條封裝引線（通常是 6 到 8 條）。這種簡化設(shè)計的結(jié)果是，它們的封裝很小，每側(cè)的尺寸約為 1 到 2 毫米，很多封裝的尺寸甚至更小。

新工藝推動 LNA 向 5G 應(yīng)用邁進

許多高性能 LNA 專為幾 GHz 的低頻率（例如 2.4 GHz 和 5 GHz 頻帶）量身定制，但它們不符合 5G 前端的嚴格要求。由于硅基 LNA 似乎已經(jīng)達到它們的性能極限，因此各廠商紛紛使用更新的半導體材料和工藝來滿足多種 5G 性能規(guī)格的嚴格要求。即使在較低的 5G 頻帶，標準硅也不具備足以滿足 5G 要求的低噪聲系數(shù)和高 OP1/OIP3 等級，因為它的發(fā)送和接收信號電平要低于現(xiàn)有的無線標準。

由于這些原因，供應(yīng)商在基于 SiGe、SOI 和砷化鎵 (GaAs) 材料的新工藝的研發(fā)和量產(chǎn)方面投入巨資，因為這些新工藝可提供更高的電子遷移率、更小的幾何尺寸和更少的泄漏。

例如，Infineon Technologies的 BGA8U1BN6LNA 采用 SiGe 工藝，噪聲系數(shù)僅為 1.6 dB，其 OP1 介于 18 到 22 dBm 之間，OIP3 介于 10 到 15 dBm 之間。它在 4 到 6 GHz 的頻帶運行，增益為 13.7 dB。

此外，BGA8U1BN6 還提供了省電功能，激活此功能后，它可以進入旁通模式，只需要將輸入信號傳遞到輸出便可，插入損耗僅為 7.5 dB（圖 1）。當接收的信號強度較高時，此功能非常有用，因為它既能防止下一級過載，還能將 2.8 伏電源的 LNA 供電電流從大約 20 毫安 (mA) 減小至大約 100 微安 (μA)，實現(xiàn)大幅的能耗節(jié)省。

圖 1：Infineon Technologies 的 SiGe BGA8U1BN6 LNA 包含旁通模式，此模式將 LNA 從信號路徑中剔除；這樣既減小了增益，防止后續(xù)各級出現(xiàn)過載和飽和，同時還降低了電流要求。（圖片來源：Infineon Technologies）

Skyworks Solutions的SKY65806-636LF也提供了旁通模式，是適用于 3400 到 3800 MHz 頻帶的 SOI LNA。它的增益與 Infineon 器件的增益相似，約為 13.6 dB，但噪聲系數(shù)僅為 1.2 dB。電源電壓范圍為 1.6 到 3.3 伏，工作電流僅為 3.85 mA。與 Infineon 的 LNA 一樣，這個電阻為 50 Ω 的 LNA 包含用戶控制的旁通功能。

Analog Devices推出的ADL5724 LNA也采用了 SiGe 工藝，可在 12.7 GHz 到 15.4 GHz 的頻帶運行（圖 2）。其 100 Ω 平衡差分輸出非常適合驅(qū)動差分下變頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。典型增益大于 23.7 dB，典型噪聲系數(shù)在頻率為 12.7 GHz 和 15.4 GHz 時分別為 2.1 dB 和 2.4 dB。

圖 2：Analog Devices 的 SiGe ADL5724 提供平衡差分輸出，此輸出可支持在該器件與下一級信號鏈之間實現(xiàn)增強的信號完整性。（圖片來源：Analog Devices）

鑒于很多 LNA 通常不會部署到穩(wěn)定的溫度環(huán)境中，因此 ADL5724 規(guī)格書附上了關(guān)鍵性能系數(shù)與溫度的關(guān)系圖（圖 3）。

圖 3：如圖所示為 -40?C、+25?C 和 +85?C 溫度下的 (a) 增益和 (b) 噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系圖，可見 LNA 的性能取決于溫度。請注意在噪聲系數(shù)隨著溫度的升高而增大時，增益是如何減小的。（圖片來源：Analog Devices）

對于 ADL5724，增益會隨著溫度的升高而稍稍減小，噪聲系數(shù)則會隨著溫度的升高而增大。這是 LNA 的典型表現(xiàn)，與工藝無關(guān)。設(shè)計人員需要在最壞情況建模和信號鏈性能模擬中考慮到這些變化。

為實現(xiàn)高動態(tài)范圍和低噪聲，MACOM Technology Solutions Holdings(MACOM) 推出了MAAL-011078，這是一種具有高動態(tài)范圍和超低噪聲系數(shù)的 GaAs 單級 LNA，其 2.6 GHz 頻率下的噪聲系數(shù)僅為 0.5 dB。它還提供了 22 dB 的增益以及 33 dBm (OIP3) 和 17.5 dBm (P1dB) 的高線性度。這款 IC 涵蓋了 700 MHz 到 6 GHz 頻帶，還具有一項額外特性：集成式有源偏置電路，因此用戶可通過外部電阻器設(shè)置自己的偏置（工作點）電流。這樣，用戶就能定制功耗以滿足應(yīng)用需求。例如，針對較低的工作電流選擇較低的性能（圖 4）。

圖 4：用戶可利用 MACOM 的 MAAL-011078，通過外部電阻器來設(shè)置 LNA 偏置電流和工作點，藉由減小工作電流實現(xiàn) OIP3 相對頻率的變化（左側(cè)）和 P1dB 性能相對頻率的下降（右側(cè)）。（圖片來源： MACOM）

讓 5G LNA 發(fā)揮最大效用

在為 5G 選擇合適的 LNA 之后，要實施 5G 前端設(shè)計，還需要考慮一些注意事項和通融措施，以便讓 LNA 發(fā)揮最大效用。隨著工作頻率跨越 5 GHz、10 GHz，除了 LNA 自身之外，還需要考慮五個重要因素。

1：選擇 PC 板材料- 在千兆赫范圍內(nèi)，LNA 輸入和輸出的傳輸線路損耗是一個重要因素。在輸入端尤其如此，因為輸入端的傳輸線路損耗會降低可實現(xiàn)的最大信噪比，還會增大 LNA 的輸出噪聲。由于大多數(shù)設(shè)計中的傳輸線路都是作為帶狀線制作到 PC 板本身，因此電路板必須由低損耗的介電材料制成。

僅僅使用通用的 FR4 PCB 層壓板不足以保證這一點，因此供應(yīng)商提供了多種替代材料和層壓材料。其中一種廣泛使用的電路板是在 FR4 核心上放置一種特殊的層壓材料，使傳輸線路具有穩(wěn)定的損耗系數(shù)，并具有 FR4 加強板的基本強度。

請記住，在這些頻率下，必須將 PC 板視為電路設(shè)計中的另一個無源“元器件”，具有所有其他無源元器件一樣的寄生效應(yīng)。此外，還必須考慮一些細節(jié)問題，例如電路板主要特征的溫度系數(shù)及其寄生效應(yīng)。高性能 PC 板材料的供應(yīng)商會提供這些數(shù)據(jù)。

2：選擇電容器– 對于輸入和輸出匹配電路，必須使用高 Q 值電容器，以降低流入和流出 LNA 的噪聲系數(shù)。低 Q 值元器件會導致噪聲系數(shù)降級 0.2 dB 到 1 dB 不等。廣泛使用的 NPO 電容器具有較低的 Q 值和較高的損耗，因此應(yīng)避免使用。陶瓷電容器具有最高 Q 值，但它們價格昂貴。依靠性能和成本分析，可以找到一種滿意的折中方案。

3：電源旁路 -這一點雖然眾所周知，但經(jīng)常被忽視，因此值得再三強調(diào)。必須細致、周到地在 IC 和其他位置實現(xiàn)直流電源旁路，以確保穩(wěn)定、一致的高頻性能。所選的旁路電容器在所需的頻率下應(yīng)具有最低阻抗，以實現(xiàn)最高的去耦性能。

例如，要進行高頻去耦，1000 皮法 (pF) 的電容器并不是一個合適的選擇。在 5 GHz 頻率下，1000 pF 電容器的自諧振頻率會讓它看起來像個電感器，因此實際上可能與去耦的目的背道而馳。相反，應(yīng)在靠近 LNA 的位置放置一個具有較小電容（通常小于 10 pF）的電容器。此外，設(shè)計中還應(yīng)包含采用 1000 pF 與 0.01 μF 電容器并聯(lián)組合的傳統(tǒng)低頻去耦功能。這些電容器不需要置于 LNA 的附近。

4：輸入和輸出匹配- 盡管很多 LNA 的輸入和輸出具有 50 Ω 的阻抗，但有些 LNA 并非如此。即使它們具有 50 Ω 的阻抗，驅(qū)動 LNA 的電路和 LNA 輸出所驅(qū)動的電路也可能不具備 50 Ω 的阻抗。因此，必須使用史密斯圓圖創(chuàng)建匹配的電路，并使用 S 參數(shù)確立適當?shù)钠ヅ溥x項。同樣，在 5G 頻率下使用的無功無源元器件（電感器和電容器）會不可避免地產(chǎn)生各種類型的寄生效應(yīng)：內(nèi)部、附近的元器件上以及 PC 板上。

設(shè)計人員應(yīng)當做到三點：選擇為在這些頻率下抑制寄生效應(yīng)而設(shè)計的匹配元器件；確保在貼裝元器件時將不可避免的寄生效應(yīng)充分特征化；以及使用這些值對匹配電路進行建模并據(jù)此調(diào)整標稱值。

5：電纜互連 -有些 5G 系統(tǒng)需要在 PC 板及其帶狀線傳輸線路之外進行互連，因此需要使用物理電纜。如果使用了差分接口（通常采用這種方法保持電路平衡和提高噪聲抗擾度），這些電纜互連可能需要使用時延匹配電纜對，而且兩根電纜最好具有相同的傳播特征。

因此，用于 5G 到 40 GHz 及更高頻率的高性能電纜往往可將其延遲匹配至 1 psec（微微秒）。它們成對出售和使用，而且因為無法單獨安裝或更換，兩根物理電纜都帶有“箍帶”，使其始終保持配對狀態(tài)。利用這些電纜，差分電路可以在驅(qū)動下一級信號鏈時實現(xiàn)高端 LNA 的性能。

結(jié)論

5G 無線標準正在將工作頻率推向更高水平，進入多 GHz 和數(shù)十 GHz 范圍。它還要求模擬電路（尤其是低噪聲放大器）具備更低的噪聲/更低的失真性能。SiGe、SOI 和 GaAs 等新型 IC 工藝技術(shù)可以滿足這些需求。但如果不重視射頻在這些更高頻率下遭遇的現(xiàn)實，優(yōu)質(zhì) LNA 的性能將無從談起。