無(wú)線(xiàn)設計中LNA和PA的基本原理

對性能、小型化和更高頻率的需求,正挑戰無(wú)線(xiàn)系統中兩個(gè)關(guān)鍵天線(xiàn)連接元器件的限制:功率放大器(PA) 和低噪聲放大器(LNA)。5G的發(fā)展以及PA 和LNA 在微波無(wú)線(xiàn)電鏈路、VSAT(衛星通信系統)和相控陣雷達系統中的使用正促成這種轉變。這些應用的要求包括較低噪聲(對于LNA)和較高能效(對于PA)以及在高達或高于10 GHz 的較高頻率下的運行。為了滿(mǎn)足這些日益增長(cháng)的需求,LNA 和PA 制造商正在從傳統的全硅工藝轉向用于LNA 的砷化鎵(GaAs) 和用于PA 的氮化鎵(GaN)。

本文將介紹LNA 和PA 的作用和要求及其主要特性,然后介紹典型的GaAs 和GaN 器件以及利用這些器件進(jìn)行設計時(shí)的注意事項。

LNA 的靈敏作用

LNA 的作用是從天線(xiàn)獲取極其微弱的不確定信號,這些信號通常是微伏數量級的信號或者低于-100 dBm,然后將該信號放大至一個(gè)更有用的水平,通常約為0.5 到1 V(圖1)。具體來(lái)看,在50 Ω 系統中10 μV 為-87 dBm,100 μV 等于-67 dBm。

利用現代電子技術(shù)可以輕松實(shí)現這樣的增益,但LNA 在微弱的輸入信號中加入各種噪聲時(shí),問(wèn)題將遠不是那么簡(jiǎn)單。LNA 的放大優(yōu)勢會(huì )在這樣的噪聲中完全消失。

圖1: 接收路徑的低噪聲放大器(LNA) 和發(fā)送路徑的功率放大器(PA) 經(jīng)由雙工器連接到天線(xiàn),雙工器分開(kāi)兩個(gè)信號,并防止相對強大的PA 輸出使靈敏的LNA 輸入過(guò)載。(圖片來(lái)源:Digi-Key Electronics)

注意,LNA 工作在一個(gè)充滿(mǎn)未知的世界中。作為收發(fā)器通道的前端,LNA 必須能捕捉并放大相關(guān)帶寬內功耗極低的低電壓信號以及天線(xiàn)造成的相關(guān)隨機噪聲。在信號理論中,這種情況稱(chēng)作未知信號/未知噪聲難題,是所有信號處理難題中最難的部分。

LNA 的主要參數是噪聲系數(NF)、增益和線(xiàn)性度。噪聲來(lái)自熱源及其它噪聲源,噪聲系數的典型值為0.5 - 1.5 dB。單級放大器的典型增益在10 - 20 dB 之間。有一些設計采用在低增益、低NF 級后加一個(gè)更高增益級的級聯(lián)放大器,這種設計可能達到較高的NF,不過(guò)一旦初始信號已經(jīng)“增大”,這樣做就變得不那么重要。(有關(guān)LNA、噪聲和射頻接收器的詳細內容,請參閱TechZone 中《低噪聲放大器可以最大限度地提升接收器的靈敏度》一文。)

LNA 的另一個(gè)問(wèn)題是非線(xiàn)性度,因為合成諧波和互調失真可使接收到的信號質(zhì)量惡化,在位誤差率(BER) 相當低時(shí)使得信號解調和解碼變得更加困難。通常用三階交調點(diǎn)(IP3) 作為線(xiàn)性度的特征化參數,將三階非線(xiàn)性項引起的非線(xiàn)性乘積與以線(xiàn)性方式放大的信號關(guān)聯(lián)在一起;IP3 值越高,放大器性能的線(xiàn)性度越好。

功耗和能效在LNA 中通常不屬于首要問(wèn)題。就本質(zhì)而言,絕大多數LNA 是功耗相當低且電流消耗在10 - 100 mA 之間的器件,它們向下一級提供電壓增益,但不會(huì )向負載輸送功率。此外,系統中僅采用一個(gè)或者兩個(gè)LNA(后者常用于Wi-Fi 和5G 等接口的多功能天線(xiàn)設計中),因此通過(guò)低功耗LNA 節能的意義不大。

除工作頻率和帶寬外,各種LNA 相對來(lái)講在功能上非常相似。一些LNA 還具有增益控制功能,因此能夠應對輸入信號的寬動(dòng)態(tài)范圍,而不會(huì )出現過(guò)載、飽和。在基站至手機通道損耗范圍寬的移動(dòng)應用中,輸入信號強度變化范圍如此之寬的情況會(huì )經(jīng)常遇到,即使單連接循環(huán)也是如此。

輸入信號到LNA 的路由以及來(lái)自其輸出信號與元器件本身的規格一樣重要。因此,設計人員必須使用復雜的建模和布局工具來(lái)實(shí)現LNA 的全部潛在性能。由于布局或阻抗匹配不佳,優(yōu)質(zhì)元器件可能容易劣化,因此務(wù)必要使用供應商提供的史密斯圓圖(參見(jiàn)“史密斯圓圖: 射頻設計中依舊至關(guān)重要的一個(gè)‘古老’圖形工具”),以及支持仿真和分析軟件的可靠電路模型。

由于這些原因,幾乎所有在GHz 范圍內工作的高性能LNA 供應商均會(huì )提供評估板或經(jīng)過(guò)驗證的印刷電路板布局,因為測試設置的每個(gè)方面都至關(guān)重要,包括布局、連接器、接地、旁路和電源。沒(méi)有這些資源,設計人員就需要浪費時(shí)間來(lái)評估元器件在其應用中的性能。

基于GaAs 的LNA 的一個(gè)代表是HMC519LC4TR。這是一種來(lái)自Analog Devices 的18 到31 GHz pHEMT(假晶高電子遷移率晶體管)器件(圖2)。這種無(wú)引線(xiàn)4×4 mm 陶瓷表面貼裝封裝可提供14 dB 的小信號增益,以及3.5 dB 的低噪聲系數和+ 23 dBm 的高IP3。該器件可從單個(gè)+3 V 電源提取75 mA 電流。

圖2:HMC519LC4TR GaAs LNA 為18 至31 GHz 的低電平輸入提供低噪聲增益;大多數封裝連接用于電源軌、接地或不使用。(圖片來(lái)源:Analog Devices)

從簡(jiǎn)單的功能框圖到具有不同值和類(lèi)型的多個(gè)外部電容器都需要一個(gè)設計進(jìn)程,提供適當的射頻旁路,在三個(gè)電源軌饋電上具有低寄生效應,指定為Vdd(圖3)。

圖3: 在實(shí)際應用中,HMC519LC4TR LNA 在其電源軌上需要多個(gè)額定電壓相同的旁路電容器,以提供用于低頻濾波的大電容以及用于射頻旁路的較小值電容,從而最大程度地減少射頻寄生效應。(圖片來(lái)源:Analog Devices)

根據此增強原理圖生成評估板,詳細說(shuō)明布局和BOM,包括非FR4 印刷電路板材料的使用(圖4(a) 和4(b))。

圖4(a)

圖4(b)

圖4: 考慮到這些LNA 前端工作的高頻率和它們必須捕獲的低電平信號,一個(gè)詳細且經(jīng)測試的評估設計至關(guān)重要。其中包括一份原理圖(未顯示)、電路板布局(a) 和BOM,及無(wú)源元器件和印刷電路板材料(b) 的細節。(圖片來(lái)源:Analog Devices)

MACOM MAAL-011111 是用于更高頻率的GaAs LNA,可支持22 至38 GHz 運行(圖5)。該器件可提供19 dB 的小信號增益和2.5 dB 的噪聲系數。此LNA 表面上是一個(gè)單級器件,但其內部實(shí)際有三個(gè)級聯(lián)級。第一級針對最低噪聲和中等增益進(jìn)行了優(yōu)化,后續級別提供額外增益。

圖5: 對用戶(hù)來(lái)說(shuō),MAAL-011111 LNA 表面上是一個(gè)單級放大器,但其內部使用了一系列增益級,旨在最大化輸入到輸出信號路徑SNR,同時(shí)在輸出端增加顯著(zhù)增益。(圖片來(lái)源:MACOM)

與Analog Devices 的LNA 類(lèi)似,MAAL-011111 只需要一個(gè)低壓電源,且尺寸僅為3×3 mm,極為小巧。用戶(hù)可以通過(guò)將偏置(電源)電壓設置在3.0 和3.6 V 之間的不同值來(lái)調整和權衡某些性能規格。建議電路板布局顯示保持適當的阻抗匹配和地平面性能所需的關(guān)鍵印刷電路板銅皮尺寸(圖6)。

圖6: 建議的布局,充分利用了MACOM 的MAAL-011111,同時(shí)提供輸入和輸出阻抗匹配。注意,對于阻抗控制型傳輸線(xiàn)以及低阻抗地平面,使用印刷電路板銅皮(尺寸以毫米為單位)。(圖片來(lái)源:MACOM)

PA 驅動(dòng)天線(xiàn)

與LNA 困難的信號捕獲挑戰相反,PA 則是從電路中獲取相對強的信號,具有很高的SNR,且必須用來(lái)提高信號功率。與信號有關(guān)的所有通用系數均已知,如幅值、調制、波形、占空比等。這就是信號處理圖中的已知信號/已知噪聲象限,是最容易應對的。

PA 的主要參數為相關(guān)頻率下的功率輸出,其典型增益在+10 至+30 dB 之間。能效是PA 參數中僅次于增益的又一關(guān)鍵參數,但是使用模型、調制、占空比、允許失真度以及受驅信號的其它方面會(huì )使任何能效評估變得復雜。PA 的能效在30 到80% 之間,但這在很大程度上是由多種因素決定的。線(xiàn)性度也是PA 的關(guān)鍵參數,與在LNA 一樣用IP3 值判定。

盡管許多PA 采用低功耗CMOS 技術(shù)(最高約1 至5 W),但在最近幾年里,其它技術(shù)業(yè)已發(fā)展成熟并被廣泛應用,在考慮將能效作為電池續航時(shí)間和散熱的關(guān)鍵指標的更高功率水平的情況下,尤其如此。在需要幾個(gè)瓦特或更高功率的情況下,采用氮化鎵(GaN) 的PA 在更高功率和頻率(典型值為1 GHz)下具有更優(yōu)的能效。尤其是考慮到能效和功率耗散時(shí),GaN PA 極具成本競爭力。

Cree/Wolfspeed CGHV14800F(1200 到1400 MHz,800 W 器件)是最新的一些基于GaN 的PA 代表。這種HEMT PA 的能效、增益和帶寬組合對脈沖L 波段雷達放大器進(jìn)行了優(yōu)化,使設計人員能夠在空中流量管制(ATC)、天氣、反導和目標跟蹤系統等應用中找到許多用途。使用50 V 電源,提供50% 及更高的典型能量轉換效率,并采用10 ×20 mm 陶瓷封裝,帶有用于冷卻的金屬法蘭(圖7)。

圖7:CGHV14800F 1200 至1400 MHz,800 W,GaN PA 具有金屬法蘭的10 ×20 mm 陶瓷封裝必須同時(shí)滿(mǎn)足困難的射頻和散熱要求。出于機械和熱完整性考慮,注意安裝法蘭時(shí)將封裝旋緊(不焊接)到印刷電路板。(圖片來(lái)源:Cree/Wolfspeed)

CGHV14800F 采用50 V 電源供電,通常提供14 dB 的功率增益,能量轉換效率> 65%。與LNA 一樣,評估電路和參考設計至關(guān)重要(圖8)。

圖8: 除了器件本身之外,為CGHV14800F PA 提供的演示電路需要的元器件非常少,但物理布局和散熱考慮很關(guān)鍵;考慮安裝完整性和熱目標,PA 通過(guò)封裝法蘭以螺釘和螺母(在底部,不可見(jiàn))固定到板上。(圖片來(lái)源:Cree/Wolfspeed)

許多規格表和性能曲線(xiàn)中同樣重要的是功率耗散降額曲線(xiàn)(圖9)。該曲線(xiàn)顯示了可用的功率輸出額定值與外殼溫度的關(guān)系,指示最大允許功率是恒定的115°C,然后線(xiàn)性減小到150°C 的最大額定值。

圖9: 由于其在輸送功率方面的作用,需要PA 降額曲線(xiàn)向設計人員顯示允許輸出功率隨著(zhù)外殼溫度的升高而降低。這里,額定功率在115?C 之后迅速下降。(圖片來(lái)源:Cree/Wolfspeed)

MACOM 還提供了基于GaN 的PA,例如NPT1007 GaN 晶體管(圖10)。其直流至1200 MHz 的頻率跨度適用于寬帶和窄帶射頻應用。該器件通常以14 到28 V 之間的單電源工作,可在900 MHz 提供18 dB 的小信號增益。該設計旨在耐受10:1 SWR(駐波比)不匹配,且不會(huì )發(fā)生器件退化。

圖10:MACOM 的NPT1007 GaN PA 跨越直流到1200 MHz 的范圍,適用于寬帶和窄帶射頻應用。設計人員通過(guò)各種負載拉伸圖獲得額外支持。(圖片來(lái)源:MACOM)

除了顯示500、900和1200 MHz 時(shí)性能基礎的圖外,NPT1007 還支持各種“負載拉伸”圖,為努力確保穩定產(chǎn)品(圖11)的電路和系統設計人員提供幫助。 負載拉伸測試使用成對信號源和信號分析儀(頻譜分析儀、功率計或矢量接收器)完成。

該測試要求看到被測設備(DUT) 的阻抗變化,以評估PA 的性能(包括諸如輸出功率、增益和能效等因素),因為所有相關(guān)的元器件值可能由于溫度變化或由于圍繞其標稱(chēng)值的公差帶內的變化而改變。

圖11:NPT1007 PA 的負載拉伸圖超出了最小/最大/典型規格標準表,以在其負載阻抗偏離其標稱(chēng)值(初始生產(chǎn)公差以及熱漂移會(huì )導致實(shí)際使用中出現這種情況)時(shí)顯示PA 性能。(圖片來(lái)源:MACOM)

無(wú)論使用哪種PA 工藝,器件的輸出阻抗均必須由供應商進(jìn)行充分特征化,使設計人員能將該器件與天線(xiàn)正確匹配,實(shí)現最大的功率傳輸并盡可能保持SWR 一致。匹配電路主要由電容器和電感器構成,并且可實(shí)現為分立器件,或者制造為印刷電路板甚至產(chǎn)品封裝的一部分。其設計還必須維持PA 功率水平。再次重申,史密斯圓圖等工具的使用,是理解并進(jìn)行必要的阻抗匹配的關(guān)鍵。

鑒于PA 較小的芯片尺寸和較高的功率水平,封裝對PA 來(lái)講是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如前所述,許多PA 通過(guò)寬的散熱封裝引線(xiàn)和法蘭支撐以及封裝下的散熱片散熱,作為到印刷電路板銅皮的路徑。在較高功率水平(約高于5 至10 W),PA 可以有銅帽,使散熱器可以安裝在頂部,并且可能需要風(fēng)扇或其它先進(jìn)的冷卻技術(shù)。

GaN PA 相關(guān)的額定功率和小尺寸意味著(zhù)對熱環(huán)境建模至關(guān)重要。當然,將PA 本身保持在允許的情況或結溫范圍內是不夠的。從PA 散去的熱量不能給電路和系統其它部分帶來(lái)問(wèn)題。必須考慮處理和解決整個(gè)熱路徑。

總結

從智能手機到VSAT 端子和相控陣雷達系統等基于射頻的系統正在推動(dòng)LNA 和PA 性能的極限。這使得器件制造商不再局限于硅,而是探索GaAs 和GaN 以提供所需的性能。

這些新的工藝技術(shù)為設計人員提供了帶寬更寬、封裝更小、能效更高的器件。不過(guò),設計人員需要了解LNA 和PA 運行的基礎知識,才能有效地應用這些新技術(shù)。