无线设计中LNA和PA的基本原理.docx

对性能、微型化和更高频率运行的推动正在挑战无线系统的两个关键天线连接元器件的限 制：功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)使5G成为现实的努力，以及PA和LNA在 VSAT端子、微波无线电链路和相控阵雷达系统中的使用促成了这种转变这些应用的要求包括较低噪声(对于LNA )和较高能效(对于PA )以及在高达或高于10 GHz的较高频率下的运行为了满足这些日益增长的需求丄NA和PA制造商正在从传统 的全硅工艺转向用于LNA的砷化掾(GaAs)和用于PA的氮化掾(GaN)本文将介绍LNA和PA的作用和要求及其主要特性，然后介绍典型的GaAs和GaN器件 以及在利用这些器件进行设计时应牢记的事项LNA的灵敏作用LNA的作用是从天线获取极其微弱的不确定信号，这些信号通常是微伏数量级的信号或者 低于-100 dBm，然后将该信号放大至一个更有用的水平，通常约为0.5到1 V (图1 ) 具体来看，在50 Q系统中10 pV为-87 dBm，100 pV等于-67 dBm利用现代电子技术可以轻松实现这样的增益，但LNA在微弱的输入信号中加入各种噪声 时，问题将远不是那么简单LNA的放大优势会在这样的噪声中完全消失。

图1 ：接收路径的低噪声放大器(LNA)和发送路径的功率放大器(PA)经由双工器连接到天 线，双工器分开两个信号，并防止相对强大的PA输出使灵敏的LNA输入过载图片来 源: Digi-Key Electronics)注意，LNA工作在一个充满未知的世界中作为收发器通道的前端丄NA必须能捕捉并 放大相关带宽内功耗极低的低电压信号以及天线造成的相关随机噪声在信号理论中，这 种情况称作未知信号/未知噪声难题，是所有信号处理难题中最难的部分LNA的主要参数是噪声系数（NF）、增益和线性度噪声来自热源及其它噪声源，噪声系数 的典型值为0.5 - 1.5 dB单级放大器的典型增益在10 - 20 dB之间有一些设计采用在 低增益、低NF级后加一个更高增益级的级联放大器，这种设计可能达到较高的NF，不过 一旦初始信号已经“增大”，这样做就变得不那么重要有关LNA、噪声和射频接收器 的详细内容，请参阅TechZone中《低噪声放大器可以最大限度地提升接收器的灵敏度》 一文LNA的另一个问题是非线性度，因为合成谐波和互调失真可使接收到的信号质量恶化，在 位误差率（BER）相当低时使得信号解调和解码变得更加困难。

通常用三阶交调点（IP3）作为 线性度的特征化参数，将三阶非线性项引起的非线性乘积与以线性方式放大的信号关联在 一起；IP3值越高，放大器性能的线性度越好功耗和能效在LNA中通常不属于首要问题就本质而言，绝大多数LNA是功耗相当低且 电流消耗在10 - 100 mA之间的器件，它们向下一级提供电压增益，但不会向负载输送功 率此外，系统中仅采用一个或者两个LNA （后者常用于Wi-Fi和5G等接口的多功能天 线设计中），因此通过低功耗LNA节能的意义不大除工作频率和带宽外，各种LNA相对来讲在功能上非常相似一些LNA还具有增益控制 功能，因此能够应对输入信号的宽动态范围，而不会出现过载、饱和在基站至通道 损耗范围宽的移动应用中，输入信号强度变化范围如此之宽的情况会经常遇到，即使单连 接循环也是如此输入信号到LNA的路由以及来自其输出信号与元器件本身的规格一样重要因此，设计 人员必须使用复杂的建模和布局工具来实现LNA的全部潜在性能由于布局或阻抗匹配 不佳，优质元器件可能容易劣化，因此务必要使用供应商提供的史密斯圆图（参见“史密 斯圆图：射频设计中依旧至关重要的一个‘古老’图形工具”），以及支持仿真和分析软 件的可靠电路模型。

由于这些原因，几乎所有在GHz范围内工作的高性能LNA供应商均会提供评估板或经过 验证的印刷电路板布局，因为测试设置的每个方面都至关重要，包括布局、连接器、接地、 旁路和电源没有这些资源，设计人员就需要浪费时间来评估元器件在其应用中的性能基于GaAs的LNA的一个代表是HMC519LC4TR这是一种来自Analog Devices的18 到31 GHz pHEMT （假晶高电子迁移率晶体管）器件（图2 ）这种无引线4x4 mm陶 瓷表面贴装封装可提供14 dB的小信号增益，以及3.5 dB的低噪声系数和+ 23 dBm的 高IP3该器件可从单个+3 V电源提取75 mA电流N A N A N APIE)一邑E D 瓦N/CGNDRFOUTGNDN/CN/CNNN N N NPACKAGE BASE图2 : HMC519LC4TR GaAs LNA为18至31 GHz的低电平输入提供低噪声增益；大多 数封装连接用于电源轨、接地或不使用图片来源：Analog Devices ）从简单的功能框图到具有不同值和类型的多个外部电容器都需要一个设计进程，提供适当 的射频旁路，在三个电源轨馈电上具有低寄生效应，指定为Vdd （图3 ）。

图3 :在实际应用中，HMC519LC4TR LNA在其电源轨上需要多个额定电压相同的旁路 电容器，以提供用于低频滤波的大电容以及用于射频旁路的较小值电容，从而最大程度地 减少射频寄生效应图片来源：Analog Devices)根据此增强原理图生成评估板，详细说明布局和BOM，包括非FR4印刷电路板材料的使 用(图 4(a)和 4(b))J3 J4 J5 J5J1oDj u t? □ & □0 0 0 00 119995-1 |O<>O Q T：3 o coonJ2图 4(a)List of Material for Evaluation PCB 119667iTJItemDescriptionJ1, J2?.®2nnm PCB mount K-ConneetorJ3 -J6DC PinC1hC2, CStOOpF Capacitor, 0402 Pkg.C4h CS, CSlOOOpF Capacitorr 0S05 Pkg,cz ca, co47 pF Capacitor, TantalumU1HM0B1 gUC4 AmpfilietPCB罔11996 Evaluation PCBReference 1 his： number wh^n ordering compl-ete evatuation PCB[2] Circuit Bo-ard Materii^l: Rogers 4350.图 4(b)图4 :考虑到这些LNA前端工作的高频率和它们必须捕获的低电平信号，一个详细且经 测试的评估设计至关重要。

其中包括一份原理图(未显示)、电路板布局(a)和BOM，及 无源元器件和印刷电路板材料(b)的细节图片来源：Analog Devices)MACOM MAAL-011111是用于更高频率的GaAs LNA，可支持22至38 GHz运行（图 5 ）该器件可提供19 dB的小信号增益和2.5 dB的噪声系数此LNA表面上是一个单 级器件，但其内部实际有三个级联级第一级针对最低噪声和中等增益进行了优化，后续 级别提供额外增益RFRFout1221110968N/C N/C N/C N/CGNDGNDN/CGNDGNDN/G161151413N/C N/C N/C VQ图5 :对用户来说，MAAL-011111 LNA表面上是一个单级放大器，但其内部使用了一 系列增益级，旨在最大化输入到输出信号路径SNR，同时在输出端增加显著增益图片 来源：MACOM ）与Analog Devices的LNA类似，MAAL-011111只需要一个低压电源，且尺寸仅为3x 3 mm，极为小巧用户可以通过将偏置（电源）电压设置在3.0和3.6 V之间的不同值 来调整和权衡某些性能规格建议电路板布局显示保持适当的阻抗匹配和地平面性能所需 的关键印刷电路板铜皮尺寸（图6 ）。

0.120(ir0.012-0.0080.0254 PLAFCutCOFFER SHOWN IN HATCH FOR CLARITY^r0.0121-0.0280,017r0+064图6 :建议的布局，充分利用了 MACOM的MAAL-011111，同时提供输入和输出阻抗 匹配注意，对于阻抗控制型传输线以及低阻抗地平面，使用印刷电路板铜皮（尺寸以毫 米为单位）图片来源：MACOM）PA驱动天线与LNA困难的信号捕获挑战相反，PA则是从电路中获取相对强的信号，具有很高的SNR， 且必须用来提高信号功率与信号有关的所有通用系数均已知，如幅值、调制、波形、占 空比等这就是信号处理图中的已知信号/已知噪声象限，是最容易应对的PA的主要参数为相关频率下的功率输出，其典型增益在+10至+30 dB之间能效是PA 参数中仅次于增益的又一关键参数，但是使用模型、调制、占空比、允许失真度以及受驱 信号的其它方面会使任何能效评估变得复杂PA的能效在30到80%之间，但这在很大 程度上是由多种因素决定的线性度也是PA的关键参数，与在LNA 一样用IP3值判定尽管许多PA采用低功耗CMOS技术（最高约1至5 W），但在最近几年里，其它技术 业已发展成熟并被广泛应用，在考虑将能效作为电池续航时间和散热的关键指标的更高功 率水平的情况下，尤其如此。

在需要几个瓦特或更高功率的情况下，采用氮化傢GaN）的 PA在更高功率和频率（典型值为1 GHz ）下具有更优的能效尤其是考虑到能效和功率 耗散时，GaN PA极具成本竞争力Cree/Wolfspeed CGHV14800F（ 1200 到 1400 MHz，800 W 器件）是最新的一些基于 GaN的PA代表这种HEMT PA的能效、增益和带宽组合对脉冲L波段雷达放大器进行 了优化，使设计人员能够在空中流量管制（ATC）、天气、反导和目标跟踪系统等应用中找到许多用途使用50 V电源，提供50%及更高的典型能量转换效率，并采用10 x20 mm陶瓷封装，带有用于冷却的金属法兰（图7 ）图 7 : CGHV14800F 1200 至 1400 MHz , 800 W, GaN PA 具有金属法兰的 10 x20 mm陶瓷封装必须同时满足困难的射频和散热要求出于机械和热完整性考虑，注意安装 法兰时将封装旋紧（不焊接）到印刷电路板图片来源：Cree/Wolfspeed ）CGHV14800F采用50 V电源供电，通常提供14 dB的功率增益，能量转换效率〉65% 与LNA —样，评估电路和参考设计至关重要（图8 ）。

图8 :除了器件本身之外，为CGHV14800F PA提供的演示电路需要的元器件非常少， 但物理布局和散热考虑很关键；考虑安装完整性和热目标，PA通过封装法兰以螺钉和螺 母（在底部，不可见）固定到板上图片来源：Cree/Wolfspeed ）许多规格表和性能曲线中同样重要的是功率耗散降额曲线（图9 ）该曲线显示了可用的 功率输出额定值与外壳温度的关系，指示最大允许功率是恒定的115°C ,然后线性减小到 150°C的最大额定值Maxinum -CaseleiTpentur e （°C}图9 :由于其在输送功率方面的作用，需要PA降额曲线向设计人员显示允许输出功率随 着外壳温度的升高而降低这里，额定功率在115 C之后迅速下降图片来源： Cree/Wolfspe。