低噪聲、高線性度的3.5GHz LNA設(shè)計(jì)

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　　無線接收機(jī)的靈敏度實(shí)際上主要與系統(tǒng)噪聲系數(shù)(F)有關(guān)，因?yàn)閹?BW)由標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先確定。

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　　(公式1)

　　低噪聲放大器(LNA)正如它的名字含義那樣，通過減小系統(tǒng)噪聲系數(shù)來提高接收機(jī)的靈敏度。Friss公式表明，接收機(jī)第1級(jí)電路的噪聲系數(shù)(F1)占主導(dǎo)作用，后級(jí)電路(即F2,F3...)的影響則逐漸減小。

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　　(公式2)

　　其中，Gn代表接收鏈路中第n級(jí)電路的增益。

　　發(fā)射機(jī)和接收機(jī)通過選頻雙工器，或者頻域雙工或時(shí)域雙工(TDD)的射頻開關(guān)，共用一根天線。另外，在LNA之前可能會(huì)插入一個(gè)帶通濾波器，用于防止被強(qiáng)大的帶外干擾所阻塞或減敏。遺憾的是，雙工器和濾波器都是無源器件，都存在一定的射頻損耗。因?yàn)檫@些損耗發(fā)生在LNA之前，所以它們對(duì)總的靈敏度有很大的影響。因此，如果LNA噪聲系數(shù)具有一定的設(shè)計(jì)余量，那么雙工器和濾波器的損耗指標(biāo)也許就不那么重要了。

　　除了低噪聲外，其它重要的性能參數(shù)還包括增益和線性度。無線基礎(chǔ)設(shè)施通常包含一個(gè)塔頂安裝的LNA，這個(gè)LNA需要通過一根長電纜連接到地面的無線電小屋，因此，為了克服電纜損耗，最好具有較高的增益。線性度之所以重要，是因?yàn)樵谒車纳漕l頻譜非常擁擠，因?yàn)橐c其它無線服務(wù)共享基站。

　　本文的目的是要表明，從性能和成本角度考慮，單級(jí)GaAs PHEMT微波單片集成電路(MMIC)是實(shí)現(xiàn)無線基礎(chǔ)設(shè)施使用的3.5GHz LNA的最佳解決方案。

　　MMIC器件

　　圖1顯示了安華高公司MGA-635P8 MMIC的內(nèi)部和外部電路。內(nèi)部電路由制造在同一裸片上的一個(gè)共源共柵放大器(AMP)和一個(gè)有源偏置調(diào)節(jié)器(BIAS)組成。共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是根據(jù)3.5GHz時(shí)大于15dB增益這個(gè)要求設(shè)計(jì)的，因?yàn)橐郧安捎孟嗤腉aAs增強(qiáng)型偽形態(tài)高電子遷移率晶體管(ePHEMT)工藝的共源(CS)設(shè)計(jì)只能達(dá)到約13dB的增益。雖然兩級(jí)共源電路可以通過級(jí)聯(lián)達(dá)到期望的增益，但共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有電流再使用的額外優(yōu)勢，即同一電流流經(jīng)兩級(jí)電路。

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　　圖1：(a)LNA電路和(b)PCB和元件。

　　在一些接收機(jī)實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，LNA之后的增益級(jí)電路將被射頻開關(guān)旁路掉。開關(guān)切換引起的LNA負(fù)載匹配(ΓL)的變化將被傳回到輸入匹配(S11)，因?yàn)樵撈骷榉菃蜗蛐?即S12≠0)。天線和輸入濾波器都是對(duì)端接非常敏感的器件，它們可能因S11變化而失諧。當(dāng)S12接近于零時(shí)，S11對(duì)負(fù)載變化的敏感度會(huì)降低，(公式21) (當(dāng)s12→0)。

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　　共源共柵拓?fù)涞姆聪蚋綦x是共源拓?fù)涞?/200至1/2000，這是選擇共源共柵拓?fù)涞牡诙€(gè)原因。由于直接轉(zhuǎn)換接收器對(duì)本地振蕩器的自混頻較靈敏，所以此器件同樣能從較好的隔離中受益。

　　共源共柵拓?fù)渲械拿總€(gè)FET都只能得到總供電電壓Vdd的一半。因此，在低電壓工作時(shí)，共源共柵拓?fù)涞脑鲆婧途€性度可能要比共源拓?fù)涞汀PHEMT是實(shí)現(xiàn)共源共柵的理想選擇，因?yàn)槠湓鲆婧途€性度在Vds≥2V時(shí)非常穩(wěn)定。共源共柵輸出要與串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)起來，以便提高工作頻率以上的穩(wěn)定性。

　　MMIC采用了成熟且極具成本效益的0.25μm工藝制造，其增益帶寬乘積fT超過30GHz。除了盡量減少達(dá)到目標(biāo)增益所要求的電路級(jí)數(shù)外，較高的fT也有利于實(shí)現(xiàn)低噪聲系數(shù)。另外，通過加倍金屬厚度，可以最大限度地減小電路互連中產(chǎn)生的Johnson噪聲。這種0.64x0.64mm芯片安裝在8引腳的方形扁平無引腳(QFN，2x2x0.75mm)塑料封裝內(nèi)。

　　內(nèi)部偏置調(diào)節(jié)器允許通過RBIAS或外部施加的偏置電壓VBIAS控制LNA靜態(tài)電流(Ids)。調(diào)節(jié)器的低電流驅(qū)動(dòng)要求(IBIAS≤1mA)與大多數(shù)CMOS器件兼容，并且可以在時(shí)域雙工(TDD)應(yīng)用中使用5V邏輯切換LNA(斷開LNA可以防止發(fā)射期間由于柵極電流增加引起的金屬遷移)。器件閾值電壓(VT)、前向跨導(dǎo)(gm)和RDS(導(dǎo)通)會(huì)隨溫度變化以及晶圓不同而改變，進(jìn)而逆向改變工作點(diǎn)。在此設(shè)計(jì)中，在一顆芯片上集成偏置調(diào)節(jié)器和LNA有助于穩(wěn)定工作點(diǎn)，因?yàn)閂BIAS和VGS電壓可以通過相互"鏡像"來補(bǔ)償熱漂移和不同晶圓批次之間的gm變化。