無(wú)線設(shè)計(jì)中LNA和PA的基本原理【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-08-11  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

對(duì)性能、小型化和更高頻率的需求,正挑戰(zhàn)無(wú)線系統(tǒng)中兩個(gè)關(guān)鍵天線連接元器件的限制: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)線電鏈路、VSAT(衛(wèi)星通信系統(tǒng))和相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的使用正促成這種轉(zhuǎn)變。這些應(yīng)用的要求包括較低噪聲(對(duì)于LNA)和較高能效(對(duì)于PA)以及在高達(dá)或高于10 GHz 的較高頻率下的運(yùn)行。為了滿足這些日益增長(zhǎng)的需求,LNA 和PA 制造商正在從傳統(tǒng)的全硅工藝轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。

LNA 的靈敏作用

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

利用現(xiàn)代電子技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)這樣的增益,但LNA 在微弱的輸入信號(hào)中加入各種噪聲時(shí),問題將遠(yuǎn)不是那么簡(jiǎn)單。LNA 的放大優(yōu)勢(shì)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,雙工器分開兩個(gè)信號(hào),并防止相對(duì)強(qiáng)大的PA 輸出使靈敏的LNA 輸入過載。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

注意,LNA 工作在一個(gè)充滿未知的世界中。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(nèi)功耗極低的低電壓信號(hào)以及天線造成的相關(guān)隨機(jī)噪聲。在信號(hào)理論中,這種情況稱作未知信號(hào)/未知噪聲難題,是所有信號(hào)處理難題中最難的部分。

LNA 的主要參數(shù)是噪聲系數(shù)(NF)、增益和線性度。噪聲來自熱源及其它噪聲源,噪聲系數(shù)的典型值為0.5 - 1.5 dB。單級(jí)放大器的典型增益在10 - 20 dB 之間。有一些設(shè)計(jì)采用在低增益、低NF 級(jí)后加一個(gè)更高增益級(jí)的級(jí)聯(lián)放大器,這種設(shè)計(jì)可能達(dá)到較高的NF,不過一旦初始信號(hào)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(xì)內(nèi)容,請(qǐng)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)問題是非線性度,因?yàn)楹铣芍C波和互調(diào)失真可使接收到的信號(hào)質(zhì)量惡化,在位誤差率(BER) 相當(dāng)?shù)蜁r(shí)使得信號(hào)解調(diào)和解碼變得更加困難。通常用三階交調(diào)點(diǎn)(IP3) 作為線性度的特征化參數(shù),將三階非線性項(xiàng)引起的非線性乘積與以線性方式放大的信號(hào)關(guān)聯(lián)在一起;IP3 值越高,放大器性能的線性度越好。

功耗和能效在LNA 中通常不屬于首要問題。就本質(zhì)而言,絕大多數(shù)LNA 是功耗相當(dāng)?shù)颓译娏飨脑?0 - 100 mA 之間的器件,它們向下一級(jí)提供電壓增益,但不會(huì)向負(fù)載輸送功率。此外,系統(tǒng)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設(shè)計(jì)中),因此通過低功耗LNA 節(jié)能的意義不大。

除工作頻率和帶寬外,各種LNA 相對(duì)來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(yīng)對(duì)輸入信號(hào)的寬動(dòng)態(tài)范圍,而不會(huì)出現(xiàn)過載、飽和。在基站至手機(jī)通道損耗范圍寬的移動(dòng)應(yīng)用中,輸入信號(hào)強(qiáng)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(hào)到LNA 的路由以及來自其輸出信號(hào)與元器件本身的規(guī)格一樣重要。因此,設(shè)計(jì)人員必須使用復(fù)雜的建模和布局工具來實(shí)現(xiàn)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(yīng)商提供的史密斯圓圖(參見“史密斯圓圖: 射頻設(shè)計(jì)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(nèi)工作的高性能LNA 供應(yīng)商均會(huì)提供評(píng)估板或經(jīng)過驗(yàn)證的印刷電路板布局,因?yàn)闇y(cè)試設(shè)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。沒有這些資源,設(shè)計(jì)人員就需要浪費(fèi)時(shí)間來評(píng)估元器件在其應(yīng)用中的性能。

基于GaAs 的LNA 的一個(gè)代表是HMC519LC4TR。這是一種來自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4×4 mm 陶瓷表面貼裝封裝可提供14 dB 的小信號(hào)增益,以及3.5 dB 的低噪聲系數(shù)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(shù)封裝連接用于電源軌、接地或不使用。(圖片來源:Analog Devices)

從簡(jiǎn)單的功能框圖到具有不同值和類型的多個(gè)外部電容器都需要一個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)程,提供適當(dāng)?shù)纳漕l旁路,在三個(gè)電源軌饋電上具有低寄生效應(yīng),指定為Vdd(圖3)。

圖3: 在實(shí)際應(yīng)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(yīng)。(圖片來源:Analog Devices)

根據(jù)此增強(qiáng)原理圖生成評(píng)估板,詳細(xì)說明布局和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(hào),一個(gè)詳細(xì)且經(jīng)測(cè)試的評(píng)估設(shè)計(jì)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(xì)節(jié)。(圖片來源:Analog Devices)

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

圖5: 對(duì)用戶來說,MAAL-011111 LNA 表面上是一個(gè)單級(jí)放大器,但其內(nèi)部使用了一系列增益級(jí),旨在最大化輸入到輸出信號(hào)路徑SNR,同時(shí)在輸出端增加顯著增益。(圖片來源:MACOM)

與Analog Devices 的LNA 類似,MAAL-011111 只需要一個(gè)低壓電源,且尺寸僅為3×3 mm,極為小巧。用戶可以通過將偏置(電源)電壓設(shè)置在3.0 和3.6 V 之間的不同值來調(diào)整和權(quán)衡某些性能規(guī)格。建議電路板布局顯示保持適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ浜偷仄矫嫘阅芩璧年P(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(duì)于阻抗控制型傳輸線以及低阻抗地平面,使用印刷電路板銅皮(尺寸以毫米為單位)。(圖片來源:MACOM)

PA 驅(qū)動(dòng)天線

與LNA 困難的信號(hào)捕獲挑戰(zhàn)相反,PA 則是從電路中獲取相對(duì)強(qiáng)的信號(hào),具有很高的SNR,且必須用來提高信號(hào)功率。與信號(hào)有關(guān)的所有通用系數(shù)均已知,如幅值、調(diào)制、波形、占空比等。這就是信號(hào)處理圖中的已知信號(hào)/已知噪聲象限,是最容易應(yīng)對(duì)的。

PA 的主要參數(shù)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(shù)中僅次于增益的又一關(guān)鍵參數(shù),但是使用模型、調(diào)制、占空比、允許失真度以及受驅(qū)信號(hào)的其它方面會(huì)使任何能效評(píng)估變得復(fù)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。線性度也是PA 的關(guān)鍵參數(shù),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(yīng)用,在考慮將能效作為電池續(xù)航時(shí)間和散熱的關(guān)鍵指標(biāo)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)脈沖L 波段雷達(dá)放大器進(jìn)行了優(yōu)化,使設(shè)計(jì)人員能夠在空中流量管制(ATC)、天氣、反導(dǎo)和目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)等應(yīng)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(zhuǎn)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)滿足困難的射頻和散熱要求。出于機(jī)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(zhuǎn)換效率> 65%。與LNA 一樣,評(píng)估電路和參考設(shè)計(jì)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(biāo),PA 通過封裝法蘭以螺釘和螺母(在底部,不可見)固定到板上。(圖片來源:Cree/Wolfspeed)

許多規(guī)格表和性能曲線中同樣重要的是功率耗散降額曲線(圖9)。該曲線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 降額曲線向設(shè)計(jì)人員顯示允許輸出功率隨著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(yīng)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(hào)增益。該設(shè)計(jì)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(yīng)用。設(shè)計(jì)人員通過各種負(fù)載拉伸圖獲得額外支持。(圖片來源:MACOM)

除了顯示500、900和1200 MHz 時(shí)性能基礎(chǔ)的圖外,NPT1007 還支持各種“負(fù)載拉伸”圖,為努力確保穩(wěn)定產(chǎn)品(圖11)的電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供幫助。 負(fù)載拉伸測(cè)試使用成對(duì)信號(hào)源和信號(hào)分析儀(頻譜分析儀、功率計(jì)或矢量接收器)完成。

該測(cè)試要求看到被測(cè)設(shè)備(DUT) 的阻抗變化,以評(píng)估PA 的性能(包括諸如輸出功率、增益和能效等因素),因?yàn)樗邢嚓P(guān)的元器件值可能由于溫度變化或由于圍繞其標(biāo)稱值的公差帶內(nèi)的變化而改變。

圖11:NPT1007 PA 的負(fù)載拉伸圖超出了最小/最大/典型規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)表,以在其負(fù)載阻抗偏離其標(biāo)稱值(初始生產(chǎn)公差以及熱漂移會(huì)導(dǎo)致實(shí)際使用中出現(xiàn)這種情況)時(shí)顯示PA 性能。(圖片來源:MACOM)

無(wú)論使用哪種PA 工藝,器件的輸出阻抗均必須由供應(yīng)商進(jìn)行充分特征化,使設(shè)計(jì)人員能將該器件與天線正確匹配,實(shí)現(xiàn)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(gòu)成,并且可實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(duì)PA 來講是一個(gè)關(guān)鍵問題。如前所述,許多PA 通過寬的散熱封裝引線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對(duì)熱環(huán)境建模至關(guān)重要。當(dāng)然,將PA 本身保持在允許的情況或結(jié)溫范圍內(nèi)是不夠的。從PA 散去的熱量不能給電路和系統(tǒng)其它部分帶來問題。必須考慮處理和解決整個(gè)熱路徑。

總結(jié)

從智能手機(jī)到VSAT 端子和相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)等基于射頻的系統(tǒng)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(shè)計(jì)人員提供了帶寬更寬、封裝更小、能效更高的器件。不過,設(shè)計(jì)人員需要了解LNA 和PA 運(yùn)行的基礎(chǔ)知識(shí),才能有效地應(yīng)用這些新技術(shù)。

作者:Bill Schweber

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