低噪聲放大器 (LNA) 的設(shè)備物理和參數(shù)特性

無線接收器可以恢復(fù)的最弱信號(hào)由其靈敏度定義。顧名思義，低噪聲放大器 (LNA) 通過降低級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)來提高接收器靈敏度。Friis 方程顯示接收器鏈中第一級(jí)放大級(jí)的噪聲系數(shù) (F1)。

介紹

無線接收器可以恢復(fù)的最弱信號(hào)由其靈敏度定義。

Rx_sen (dBm) = -174 + 10log BW + SNR + F

其中，BW 是以 Hz 為單位的帶寬，SNR 是所需的信噪比，F(xiàn) 是系統(tǒng)噪聲系數(shù)。

顧名思義，低噪聲放大器 (LNA) 通過降低級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)來提高接收器靈敏度。Friis 方程表明，
接收器鏈中第 1 個(gè)放大級(jí)（即 LNA）的噪聲系數(shù)（F1）起主導(dǎo)作用，后續(xù)級(jí)（即 F2、F3 等）的噪聲性能較小重要性。

其中，Gn 是接收鏈中第 n 級(jí)的增益。

蜂窩基站 (BTS) 和微波中繼分離了位于天線塔上方的 LNA 級(jí)，以減輕預(yù) LNA 電纜損耗導(dǎo)致的 NF 退化。在 BTS 架構(gòu)中，LNA 級(jí)之前是用于雙工
共用天線的發(fā)射-接收 (Tx-Rx) 雙工器和用于防止帶外阻塞或減敏的干擾濾波器。然而，雙工器和濾波器的損耗必須最小化，因?yàn)樗鼈儼l(fā)生在放大之前 [2]。因此，具有額外噪聲性能余量的 LNA 將放寬雙工器濾波器的損耗要求。

其他關(guān)鍵性能參數(shù)包括高增益以克服連接安裝在塔上的 LNA 和地面無線電棚的長(zhǎng)電纜中的損耗，以及高線性度，因?yàn)橛捎谂c其他無線設(shè)備共享站點(diǎn)，塔附近的 RF 頻譜可能非常擁擠
發(fā)射器。

設(shè)備物理和參數(shù)特性

8 引腳四方扁平無引線 (QFN，2 x 2 x 0.75mm) 封裝微波單片集成電路 (MMIC) 由一個(gè)共源共柵放大器和一個(gè)有源偏置穩(wěn)壓器組成。共源共柵拓?fù)渚哂懈咴鲆妗?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流重用和更好的反向隔離的優(yōu)點(diǎn)。0.25 ?m 特征尺寸 GaAs 增強(qiáng)模式偽晶高電子遷移率晶體管 (ePHEMT) 工藝 [3] 具有高增益積帶寬，fT > 30 GHz，允許目標(biāo)增益（在 1.9 GHz 時(shí) >17 dB ) 在一個(gè)級(jí)聯(lián)中實(shí)現(xiàn)。通過將金屬厚度加倍于之前的工藝迭代，可以最大限度地減少互連中產(chǎn)生的約翰遜噪聲。

偏置調(diào)節(jié)器允許通過改變 RBIAS 或外部施加的電壓 VBIAS 來調(diào)整 LNA 靜態(tài)電流 (Ids)（圖 1b）。穩(wěn)壓器的低電流驅(qū)動(dòng)要求 (IBIAS ≤ 1 mA) 與大多數(shù) CMOS 系列兼容，并且可以直接從微控制器切換 LNA，用于時(shí)域多路復(fù)用 (TDM) 應(yīng)用。在電池供電的應(yīng)用中，可調(diào)偏置也可用于權(quán)衡線性度以節(jié)省功耗。Ids溫度穩(wěn)定性是由穩(wěn)壓器和LNA經(jīng)過類似處理實(shí)現(xiàn)的；即 VBIAS 和 VGS 相互“鏡像”以補(bǔ)償熱漂移 [4] 和晶圓間跨導(dǎo)變化。

性能評(píng)估電路和組裝

為了評(píng)估設(shè)備的射頻性能，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)代表基站應(yīng)用的 1.9 GHz LNA。最少數(shù)量的外部組件（C1-L1 和 C2-L2）提供了在芯片級(jí)集成不可行的匹配和偏置功能（圖 2a）。除了 DC 阻斷和 RF 扼流功能之外，C1-L1 還會(huì)在低于工作頻率 (f0) 時(shí)降低不需要的增益。應(yīng)為高于 f0 的自諧振頻率 (SRF) 選擇 L1 和 L2，以實(shí)現(xiàn)有效扼流。

電源去耦電容器 C3-C6 將 AC 信號(hào)分流到地，從而防止通過偏置線產(chǎn)生無意的輸出-輸入反饋。出于低頻穩(wěn)定性的考慮，C3 的尺寸設(shè)計(jì)為在 f0 處的電抗 (X) 約為 8 歐姆。因此，在低頻時(shí)，即 f << f0，C3 表現(xiàn)為開路，R1（50 歐姆）直接與 L1 串聯(lián)，為器件輸入（引腳 2）提供低反射終端。當(dāng) LNA 在 TDM 應(yīng)用中通過 VBIAS 切換時(shí)，C5 可以更改為較小的值或完全消除以提高響應(yīng)時(shí)間。在 C5 中使用 10 pF 測(cè)得的開啟時(shí)間約為 0.6 uS。

印刷電路板 (PCB) 的尺寸為 21.5 x 18 x 1.4 毫米，在 10 密耳羅杰斯 RO4350 上使用具有共面接地的微帶 - 一種中等價(jià)位的材料，具有適中的射頻性能，與 FR4 工藝兼容 [5] ]。將 1.2 毫米厚的低成本 FR4 材料粘合到 RO4350 地平面上以進(jìn)行加固。RF 連接通過邊緣發(fā)射 SMA 到微帶轉(zhuǎn)換（Johnson Component P/N 142-0701-856）進(jìn)行，而直流電源通過 2 針直 PCB 接頭連接。除了 C5 和 C6 由于電容大而為 0805 尺寸外，所有其他 RLC 組件均為 0402 尺寸。組件的總面積約為 8 x 10 mm2。

作為 LNA 電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作，MMIC 在定制設(shè)計(jì)的直通反射線 (TRL) 夾具上進(jìn)行了表征，該夾具由預(yù)期原型 LNA 使用的相同 PCB 材料 (10-mil RO4350) 形成。在去嵌入夾具效應(yīng)后，器件散射參數(shù) (s2p) 然后被導(dǎo)入到安捷倫科技 ADS2006A 軟件中進(jìn)行電路仿真。創(chuàng)建了兩個(gè)設(shè)計(jì)迭代 - 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版本和一個(gè)低輸入回波損耗 (IRL < -20 dB) 版本，后者在 IRL 中權(quán)衡了噪聲系數(shù) (F)（圖 3）。

在 LNA 電路模型中，RLC 組件使用簡(jiǎn)化的等效電路而不是制造商提供的 s2p 數(shù)據(jù)進(jìn)行建模；主要原因是 s2p 數(shù)據(jù)缺乏即時(shí)更改組件值的便利性，其次，它們的頻率限制為 6 GHz（可以模擬帶外穩(wěn)定性）

編輯：hfy