基于基础架构接收器的超低噪声放大器设计方案

引言
   　　放大器要适用于无线基础架构接收器，必须满足低噪声、高线性度和无条件稳定性等关键要求。为此，Skyworks使用 0.5 微米增强型pHEMT（即E-pHEMT）技术开发了新的低噪声放大器（LNA）系列。覆盖 0.7–1.0 GHz的 SKY67101-396LF 和覆盖 1.7–2.0 GHz 的SKY67100-396LF 适用于 GSM、WCDMA、TDSCDMA 和 LTE基础架构接收回路应用。为降低成本和节省 PCB 空间，这些 LNA 均采用2x2毫米 QFN 封装，且不同频带可使用相同的布线。
   　　1 规格
   　　噪声系数（NF）性能是接收器系统的关键参数之一，因为它描述的是对低电平信号的接收能力。噪声系数越低，接收器的灵敏度越好。以三阶交调截取点（IP3）表征了当有频率相近信号时，放大器抑制互调失真的能力。绝对稳定性是指放大器在任何输入或者输出负载条件下都不会产生振荡的能力。其它一些规格，包括电流消耗、回波损耗和人体模型静电释放（HBM ESD）等也同样重要，在 LNA 设计过程中也必须对其加以考虑。
   　　为了以最小的代价获取最优化的性能，需要采用一些特殊的设计技术。低频带和高频带 LNA 的目标规格如表 1所示。
   　　表 1. VDD = 5 V，温度 = 25°C 条件下的 LNA 规格
   
  
   　　2 技术和拓扑结构
   　　选择为获得优秀的 RF 性能、超低的噪声和高线性度，设计选择使用 0.5 μm 增强型 pHEMT 技术。由于该技术在FET 的门极只需要正电压，因而也简化了 MMIC 设计。
   　　这样就可以直接把电源接地，并且无需额外元件构成自偏置结构。电路仿真也因此可以相当精确。
   　　设计采用了具备高带宽、高增益和高反向隔离度等特点的共源共栅 LNA 拓扑结构。
   　　3 设计步骤
   　　本论文将详细讲述 SKY67101-396LF 900 MHz LNA 的设计方案。SKY67100-396LF 1900 MHz 的设计使用相同的方法，通过频率调整技术实现。低频带和高频带的测量结果和仿真结果显示在“仿真和测量结果比较”部分。
   　　3.1 偏置电路
   　　图 1 显示的是随温度、制程和电源电压变化，将 LNA 的电流消耗稳定在大约 55 mA 左右的主动调节偏置电路。
   
  
   　　R1 用于通过设置引脚 4 的电压来设置偏置总电流。电源偏置的任何波动将由有源偏置电路进行稳定处理。通过L1 电感器，引脚2获得经过稳定处理的门极电压。这些元件还用于实现输入阻抗和噪声系数源阻抗的匹配。
   　　温度变化（-40 °C 至 +80°C）时电源电流的测量值与仿真值差异约为 3 mA（如图2所示）。
   

  
   　　3.2 噪声系数（NF）和输入匹配
   　　噪声系数和输入回波损耗是 LNA 设计中的主要因素。
   　　共源共栅设计的第一级旨在获得最佳的噪声系数、输出阻抗匹配和目标漏源电流（Ids）下的 P1dB。而缓冲级则是在不影响其它性能规格的前提下获取最佳的 IP3 性能、输出匹配和 P1dB。该拓扑结构通过源极反馈几乎可以在所有阻抗下保持稳定（在添加级间网络、输出网络、传输线路损耗和 SMT 元件寄生阻抗后，可以实现绝对稳定。请参阅“线性度”和“稳定性”部分）。图3 显示拓扑结构频率变化时的增益和 NFmin 最小噪声系数）权衡。
   
  
   　　图 4 显示 900 MHz 时共源共栅拓扑结构在史密斯图中源极稳定区域内的噪声系数常量圆、源级稳定性圆和可用的增益圆。
   
  
   　　考虑 SMT 元件的寄生效应和传输线路损耗，在 0.4 dB噪声圆和 18 dB 增益圆内选中源阻抗点 Zs = 64 + j44Ω，作为噪声、增益和输入回波损耗匹配之间的权衡点。
   　　输入匹配网络由 C1、C2 和 L1 实现。C1 和 L1 选用高Q 元件以获取最佳的噪声系数。C1 还用于直流阻隔。有关仿真增益、输入回波损耗和噪声系数的信息，请参阅“仿真和测量结果比较”部分。
   　　3.3 线性度（OIP3）和 P1 dB
   　　带内和带外的输入、输出端接负载，将直接影响放大器的线性度。放大器的输入和输出负载可以通过源和负载牵引技术扫描得到。在这里，负载牵引的测量是在源匹配完成之后进行的。
   　　源与阻抗 Zs = 64 + j44 Ω 完成匹配获得所需的 NF、输入回波损耗和偏置电流增益后，P1 dB 和 OIP3 将取决于输出匹配和反馈网络。使用仿真模型估算 0.9 GHz 下两个相隔 5 MHz 的音调的 OIP3，每个音调的输入功率为PIN = -20 dBm。图 5 在史密斯图上显示了负载牵引阻抗，其中的圆表示 0.9 GHz 下最佳的 OIP3 区域。
   
  
   　　图 6 显示 0.9 GHz 下的 OIP3 和输出功率等高线。
   
  
   　　最终的负载牵引仿真和匹配应在连接好输入和输出匹配电路（如图 1 所示）后执行。完成源和负载匹配后，OIP3 和 P1 dB 仿真结果分别显示在图 7 和图 8 中。
   

  
   　　3.4 稳定性
   　　稳定性是 LNA 最重要的要求之一。典型的规格要求实现最高 18 GHz 频率下绝对稳定工作。每一级设计也必须符合绝对稳定工作的要求，包括所有条件下的所有外部元件和偏置。在此频率范围内的多数情况下，高增益、低噪声的设备往往会变得非常不稳定。为了稳定设备同时满足这些要求，必须采用多种稳定性设计技术。
   　　为解决低工作频率下的稳定性问题，通常在源极会采用一个电感。
   　　用于输入和噪声系数匹配的源极反馈电感器也可以用来实现稳定性。常用的一种技术是使用串并行 LR 网络。
   　　这种网络的作用是在低频率时充当低阻抗，而在高频率时充当高阻抗。
   　　另一种常用的技术是从漏极到接地之间连接串并联 CR网络。这种网络的作用是在高频率时充当分流电阻，而在低频率时充当高阻抗。接地的分流电阻有利于稳定设备。
   　　还有一种用来改善稳定性的方法，那便是在设备的输出和输入之间使用并联反馈。不过这种方法会降低噪声系数。因此，它通常用在第二级（缓冲）设计中，而不用于第一级设计。这种反馈也有利于 IP3、回波损耗（RL）和增益调整。
   　　稳定电路集成于共源共栅 LNA 中。SKY67100 和SKY67101 最终的仿真稳定性和测量稳定性结果如图 16 和 17 所示。
   　　3.5 静电释放因素
   　　静电释放（ESD）指的是处于不同静电位的物体或表面之间发生的静电转移，它对半导体器件具有极大的破坏性。ESD 必须在产品开发的早期阶段予以解决。设计中使用功率钳制、二极管和叠接二极管 ESD 保护电路在所有引脚组合间获得 1A 级（>250 V）的 HBM 额定值。
   　　设计方案中的其它部件也使用 ESD 保护电路，但需要特别注意确保不会降低小信号、大信号和噪声系数性能。
   　　4 布线
   　　SKY67100/SKY67101 应用测试板布线的设计旨在尽可能获得最低噪声系数和最佳稳定性。测试板为在 50 mil厚的 FR4 基底上叠加 10 mil 厚的 Rogers 4350B 基板。RF 电路中选择使用 Rogers 4350B 材料，是由于它具有介电常数（εr）低、介电常数不易受随温度变化的影响等特点，能实现最佳的噪声性能。成本相对较低的FR4 材料则用于承载其余压层，并提高机械刚度和厚度。微带线宽度和空间设计能够接受常用的 0402 尺寸的表面安装元件，同时维持统一的 50 Ω。覆铜厚度为1.4 mil，可减少电路损耗及其对噪声系数的累加效应。
   　　5 元件选择
   　　图9 显示的是测试板原理图。输入元件 C1、C2 和 L1决定了设备的输入匹配和噪声系数。为获得最佳的噪声系数，推荐使用高 Q 值元件。
   
  
   　　如果需要增益调整，元件 R2 和 C4 可构成设备的反馈电路。
   　　输出匹配通过元件 L2 和 C5 实现。
   　　L2 还在偏置电路中用来对元件 C6、C7 和 C8 去耦合。
   　　通过微调输出匹配，可以优化线性度。
   　　6 仿真和测量结果比较
   　　图10 和11 描述了 SKY67100-396LF（1.9 GHz）和SKY67101-396LF（0.9 GHz）随宽带频率范围变化得到的测量和仿真增益曲线图。SKY67101 在 0.9 GHz 的增益为 18.2 dB，SKY67100 在 1.9 GHz 的增益为 17.67dB。
   

  
   　　图12 描述了 SKY67101 设备的输入和输出回波损耗。
   
  
   　　0.9 GHz 测得的输入和输出回波损耗均高于 20 dB
   　　图13 描述了 SKY67100 设备的输入和输出回波损耗。
   
  
   　　图14 和15 显示了带内 OIP3 和 P1dB 性能。SKY67101的 OIP3 测量值在 900 +/- 5 MHz 获得，而 SKY67100在 1950 +/- 5 MHz 获得。
   

  
   　　图16 和17 展示了 SKY67101 和 SKY67100 各自的NF 性能测量值和仿真值对比。考虑到输入接头和连接至第一个匹配元件的*估板传输线所造成的损耗，我们对 SKY67101 应用了0.05 dB 的校正系数，并对 SKY67100 应用了0.1 dB 的校正系数。
   
   
   　　图18 和19 描述了SKY67101 和SKY67100 各自的稳定性性能测量值和仿真值。两个设备随带宽范围变化所显示的无条件稳定性均为 B > 0，Rollet 稳定性系数K >1。
   
   
   　　7 结论
   　　本文展示的是两个低噪声、高线性度放大器产品SKY67100 和 SKY67101 的设计方案。这些 LNA 均采用共源共栅拓扑结构的增强型 pHEMT 器件实现，适用于各种无线基础架构产品的接收器应用。它们都采用小型、低成本的2x2毫米 QFN 封装并使用通用的引脚和布线设计。