5G對對LNA性能的要求及解決方案

隨著5G無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無線電前端的性能在RF接收器信號路徑中越來越重要，特別是對于低噪聲放大器（LNA）。隨著LNA新工藝技術(shù)的出現(xiàn)，如硅鍺（SiGe），砷化鎵（GaAs）和絕緣體上硅（SOI），設(shè)計人員必須重新評估LNA參數(shù)的性能折衷，如噪聲，靈敏度，帶寬，有效地使用它們的能力。

前端的重要性不容小覷，因為它在很大程度上決定了弱信號情況和可實現(xiàn)的誤碼率的最終系統(tǒng)性能。如果LNA性能不足，那么在電路和接收通道管理方面的剩余設(shè)計工作將無法滿足5G性能。

本文將討論5G的狀態(tài)及其對LNA性能的要求。然后，它將使用可以幫助滿足這些要求以及如何充分利用這些要求的最新流程來引入解決方案。

500字以內(nèi)的5G狀態(tài)

高訂單，但這里說：雖然5G規(guī)格已經(jīng)完成，但它仍在進(jìn)行中。 5G的許多期望功能仍有待最終確定，等待更多會議，現(xiàn)場試驗以及組件供應(yīng)商和無線運(yùn)營商等的投入。

然而，一些問題已經(jīng)很明確：5G設(shè)計雖然一些初始實施仍將低于6千兆赫茲（GHz），但它將占據(jù)電磁頻譜的新區(qū)塊。大多數(shù)5G系統(tǒng)將在毫米波段工作，美國有27-28和37-40 GHz頻段。甚至有一些50 GHz以上的初步分配。由于技術(shù)挑戰(zhàn)，第一個毫米波實現(xiàn)將在27 - 28 GHz頻段。

LNA的具體作用

盡管5G規(guī)范允許多種調(diào)制選項，功率，數(shù)據(jù)速率和其他功能，其中大部分通常與接收通道LNA幾乎沒有關(guān)系。該組件必須完成一件事并做得很好：捕獲并放大來自天線的弱噪聲損壞信號，同時增加盡可能少的噪聲。因此，開始仔細(xì)研究LNA本身而不必過多關(guān)注更高級別的規(guī)范問題是有意義的。

指定頻段內(nèi)可接受操作的主要LNA規(guī)范是噪聲系數(shù)（ NF），這是LNA增加的固有噪聲量。對于5G，特別是接近28 GHz，NF通常需要在1到3 dB之間，盡管在某些情況下可以接受一到兩個dB。 （參見“我理解噪聲系數(shù)，但噪聲如何獲得'溫度'？”，以便更深入地討論一些更常見的噪聲因素。）增益通常需要在15到20 dB之間才能提升接收效果信號到一個可以通過后續(xù)放大器，濾波器和數(shù)字化處理的范圍。

最后，輸出1 dB壓縮的線性度相關(guān)因子（稱為OP1或P1dB）和輸出3 rd 順序截距（OIP3）需要分別至少為-20和-35 dBm。在較低的5G頻段，這些要求對OP1和OIP3不太嚴(yán)格，前者為-20 dBm，后者為-10至-15 dBm。請注意，較大的負(fù)值表示優(yōu)異的性能（-25 dBm優(yōu)于-20 dBm），但許多數(shù)據(jù)表都會留下負(fù)號，這可能會引起混淆。

因為它們在功能上只是“簡單”放大器，LNA有一個非?；镜目驁D - 通常只是一個放大器三角形 - 并且只需要幾個封裝引腳，通常在六到八之間。這種簡單性的結(jié)果是它們的封裝很小，每邊大約1到2毫米，而且很多都很小。

新工藝將LNA提升到5G

有許多高性能LNA適用于幾GHz的較低頻率（例如2.4 GHz和5 GHz頻段），但它們不能滿足5G前端的困難要求。由于硅基LNA似乎已達(dá)到其性能極限，因此正在使用更新的半導(dǎo)體材料和工藝來滿足5G性能規(guī)格的苛刻要求。即使在較低的5G頻段，標(biāo)準(zhǔn)硅也沒有足夠低的噪聲系數(shù)和5G的足夠OP1/OIP3額定值，與現(xiàn)有的無線標(biāo)準(zhǔn)相比，它具有更低的發(fā)射和接收信號電平。

由于這些原因，供應(yīng)商在R＆amp; D上投入了大量資金，以及基于SiGe，SOI和砷化鎵（GaAs）材料的新工藝的批量生產(chǎn)，這些材料提供更高的電子遷移率，更小的幾何形狀和更低的泄漏。

例如，使用SiGe工藝，英飛凌科技的BGA8U1BN6 LNA噪聲系數(shù)僅為1.6 dB，OP1介于18和22 dBm之間，OIP3介于10和15 dBm之間。它的工作頻率為4到6 GHz，增益為13.7 dB。

此外，BGA8U1BN6還具有省電功能，可以通過該功能進(jìn)入旁路模式，只需通過輸入以7.5 dB的插入損耗向輸出發(fā)出信號（圖1）。當(dāng)接收信號強(qiáng)度很高時，此功能非常有用，因為它既可以防止后續(xù)階段的過載，也可以通過2.8伏電源將LNA電源電流從大約20毫安（mA）降低到大約100微安（μA），節(jié)省了大量資金。

圖1：英飛凌科技的SiGe BGA8U1BN6 LNA包括一個旁路模式，它將LNA從信號路徑中取出;這樣可以降低增益并防止后續(xù)階段的過載和飽和，同時還可以降低電流要求。 （圖片來源：Infineon Technologies）

Skyworks Solutions的SKY65806-636LF也提供旁路模式，這是一款3400至3800 MHz的SOI LNA。增益與英飛凌器件的增益相似，為13.6 dB，而噪聲系數(shù)僅為1.2 dB。電源電壓范圍為1.6至3.3伏，工作電流僅為3.85 mA。與英飛凌的LNA一樣，這款50ΩLNA包括用戶控制的旁路功能。

ADI公司的ADL5724 LNA也采用SiGe工藝，工作頻率為12.7 GHz至15.4 GHz（圖2）。其100Ω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，而典型噪聲系數(shù)在12.7 GHz時為2.1 dB，在15.4 GHz時為2.4 dB。

圖2： ADI公司的SiGe ADL5724提供平衡差分輸出，支持其與信號鏈下一級的信號完整性。 （圖像來源：ADI公司）

由于許多LNA通常不會部署到穩(wěn)定的溫度環(huán)境中，因此ADL5724數(shù)據(jù)手冊中包含了關(guān)鍵性能因素與溫度的關(guān)系圖（圖3）。

圖3：LNA的性能取決于溫度，如下圖所示：（a）增益和（b）噪聲系數(shù)，兩者與頻率的關(guān)系， -40?C，+25?C，+85?C。注意當(dāng)噪聲系數(shù)隨溫度升高而增加時增益會降低。 （圖像來源：ADI公司）

對于ADL5724，增益隨溫度略有下降，而噪聲系數(shù)增加。無論過程如何，這種性能都是LNA的典型特征。設(shè)計人員需要在最壞情況下對信號鏈性能進(jìn)行建模和仿真時考慮這些變化。

對于高動態(tài)范圍和低噪聲，MACOM Technology Solutions Holdings（MACOM）擁有MAAL-011078，高動態(tài)范圍，GaAs，單級LNA，在2.6 GHz時具有僅0.5 dB的超低噪聲系數(shù)。它還提供22 dB增益和33 dBm（OIP3）和17.5 dBm（P1dB）的高線性度。該IC覆蓋700 MHz至6 GHz，還包括一個附加功能：集成有源偏置電路，因此用戶可以通過外部電阻設(shè)置其偏置（工作點）電流。結(jié)果，用戶可以定制功耗以適合應(yīng)用。例如，選擇稍微降低的性能以降低工作電流（圖4）。

圖4：來自MACOM的MAAL-011078允許用戶設(shè)置LNA通過外部電阻偏置電流和工作點，從而降低OIP3（左）的變化工作電流，降低P1dB性能（右）與頻率的關(guān)系。 （圖片來源：MACOM）

充分利用5G LNA

一旦選擇了合適的5G LNA，需要考慮一些因素和需要5G前端設(shè)計，以充分利用該LNA。由于工作頻率超過5 GHz，10 GHz，除LNA本身外，還有五個主要因素需要考慮。

1：印刷電路板材料選擇 - 在千兆赫范圍內(nèi)，傳輸線損耗在LNA輸入和輸出是一個主要因素。輸入端尤其如此，因為那里的損耗降低了最大可實現(xiàn)的信噪比，并且還增加了LNA輸出噪聲。由于大多數(shù)設(shè)計中的傳輸線都是在印刷電路板本身上制成帶狀線，因此電路板必須由低損耗的介電材料制成。

單獨(dú)使用普遍存在的FR4印刷電路板層壓板是不夠的，因此供應(yīng)商提供了各種替代材料和層壓板。一種廣泛使用的電路板使用放置在FR4磁芯上的特殊層壓板，為傳輸線提供穩(wěn)定的損耗因子，但FR4的基礎(chǔ)強(qiáng)度作為加強(qiáng)板。

請記住，在這些頻率下，印刷電路板必須被視為電路設(shè)計中的另一個無源“元件”，具有所有其他無源元件的寄生效應(yīng)。此外，必須考慮甚至微妙的因素，例如電路板的主要特性和寄生效應(yīng)的溫度系數(shù)。高性能印刷電路板材料的供應(yīng)商提供此數(shù)據(jù)。

2：電容選擇 - 輸入和輸出匹配電路必須使用高Q電容，以保持LNA的低噪聲系數(shù)。低Q分量會使噪聲系數(shù)降低0.2 dB至滿dB。廣泛使用的NPO電容具有低Q值和高損耗，因此應(yīng)該避免。最高的Q電容器是基于瓷器的，但這些電容器很昂貴。根據(jù)性能和成本分析，可以找到一種快樂的媒介。

3：電源旁路 - 它廣為人知，但經(jīng)常被忽視，因此需要重復(fù)。在IC和其他地方仔細(xì)徹底地繞過電源DC對于確保穩(wěn)定，一致的高頻性能至關(guān)重要。所選的旁路電容應(yīng)在最大化去耦性能所需的頻率下具有最小阻抗。

例如，1000皮法（pF）電容不是高頻去耦的理想選擇。在5 GHz時，1000 pF電容的自諧振頻率使其看起來像電感，因此實際上可能會對去耦產(chǎn)生反作用。相反，應(yīng)在LNA附近放置一個小值電容（通常小于10 pF）。此外，該設(shè)計應(yīng)包括使用1000 pF和0.01μF電容并聯(lián)組合的傳統(tǒng)低頻去耦。這些不需要靠近LNA。

4：輸入和輸出匹配 - 雖然許多LNA的輸入和輸出具有50Ω阻抗，但有些則沒有。即使它們這樣做，驅(qū)動LNA的電路和LNA輸出驅(qū)動的電路也可能不是50Ω。因此，必須使用史密斯圓圖和用于建立適當(dāng)匹配選項的S參數(shù)創(chuàng)建匹配電路。同樣，在5G頻率下使用的無功無源元件 - 電感器和電容器將具有各種類型的不可避免的寄生效應(yīng)：內(nèi)部，附近組件和印刷電路板。

設(shè)計師應(yīng)該做三件事：選擇在這些頻率下設(shè)計用于低寄生效應(yīng)的匹配元件;確保在元件放置的背景下完全表征不可避免的寄生效應(yīng);然后使用這些值對匹配電路進(jìn)行建模并調(diào)整標(biāo)稱值。

5：電纜互連 - 某些5G安裝需要超出印刷電路板及其帶狀線傳輸線的互連，而是需要物理電纜。如果使用差分接口 - 通常情況下保持電路平衡并且不易受噪聲影響 - 這些有線互連可能需要具有理想相同傳播特性的偏斜匹配電纜對。

因此，高5G頻率達(dá)到40 GHz及以上的性能電纜通常具有與1 psec匹配的延遲。它們作為成對出售和使用，并且兩條物理電纜包括“約束帶”以使它們始終配對，因為它們不能單獨(dú)安裝或更換。使用這些電纜可以使差分電路在驅(qū)動信號鏈的下一級時實現(xiàn)高端LNA的性能。

結(jié)論

5G無線標(biāo)準(zhǔn)正在推動工作頻率更高，進(jìn)入數(shù)GHz和數(shù)十GHz范圍。它還要求模擬電路具有更低的噪聲/更低的失真性能，特別是低噪聲放大器。 SiGe，SOI和GaAs等新的IC工藝技術(shù)正在滿足這些需求。然而，由于在這些較高頻率下對RF的現(xiàn)實的關(guān)注不足，可以降低優(yōu)良LNA的性能。