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對(duì)性能、小型化和更高頻率的需求，正挑戰(zhàn)無線系統(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*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)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?10 - 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)，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，從而一定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)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 具成本競(jìng)爭(zhēng)力。

Cree/Wolfspeed CGHV14800F（1200 到 1400 MHz，800 W 器件）是新的一些基于 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)。

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