无线设计中LNA和PA的基本原理

1、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 10LNA和PA制造商正在从传统GHz的较高频率下的运行。为了满足这些日益增长的需求,的全硅工艺转向用于 LNA的神化钱(GaAs)和用于PA的氮化钱(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

2、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0.5 至IJ 1 V （图 1 ）。低于-100 dBm ,然后将该信号放大至一个更有用的水平，通常约为具体来看，在 50 系统中10 N 为-87 dBm , 100 阳 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。SyitemAntennaDuplexer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

3、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,LNA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

4、 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

5、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。在基站至手机通道 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

6、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

7、 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 NANAN/C GND RFOUT GND N/C N/Cc D N D c C/ NFIN / /N G R G N NJCJOJOOFRLRR匚、 baseNNNNNN 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

8、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）。J4Vdd1Ydd2J5VddJOC7 p4.7uF 丰CX IIQQOpF 亍1 tOOpFca4,7uFC5 厂WOOpF 二二C2lOOpFC94.7 uFC6IQOQpFH 65%。与LNA 一样，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

9、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。Lnaximjm CaseTerYperacure fC）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/Wolfspeed ）MACOM 还提供了基于 GaN的PA,例如NPT1007 GaN 晶体管（图10）。其直流至 1200 MHz 的频率跨度适用于宽带和窄带射频应用。该器件通常以14到28 V之间的单电

10、源工作，可在 900 MHz 提供18 dB的小信号增益。该设计旨在耐受10:1 SWR （驻波比）不匹配，且不会发生器件退化。图10: MACOM 的NPT1007 GaN PA 跨越直流到1200 MHz 的范围，适用于宽带和窄带射频应用。设计人员通过各种负载拉伸图获得额外支持。（图片来源：MACOM ）除了显示500、900和1200 MHz时性能基础的图外， NPT1007 还支持各种“负载拉伸” 图，为努力确保稳定产品（图 11 ）的电路和系统设计人员提供帮助。负载拉伸测试使用成对信号源和信号分析仪（频谱分析仪、功率计或矢量接收器）完成。该测试要求看到被测设备（DUT）的阻抗变化，以

11、评估 PA的性能（包括诸如输出功率、增 益和能效等因素），因为所有相关的元器件值可能由于温度变化或由于围绕其标称值的公 差带内的变化而改变。图11 : NPT1007 PA 的负载拉伸图超出了最小 /最大/典型规格标准表，以在其负载阻抗偏离其标称值（初始生产公差以及热漂移会导致实际使用中出现这种情况）时显示PA性能。（图片来源：MACOM ）无论使用哪种PA工艺，器件的输出阻抗均必须由供应商进行充分特征化，使设计人员能 将该器件与天线正确匹配，实现最大的功率传输并尽可能保持SWR 一致。匹配电路主要由电容器和电感器构成，并且可实现为分立器件，或者制造为印刷电路板甚至产品封装的 一部分。其设计还必须维持 PA功率水平。再次重申，史密斯圆图等工具的使用，是理解 并进行必要的阻抗匹配的关键。鉴于PA较小的芯片尺寸和较高的功率水平，封装对 PA来讲是一个关键问题。如前所述， 许多PA通过宽的散热封装引线和法兰支撑以及封装下的散热片散热，作为到印刷电路板 铜皮的路径。在较高功率水平（约高于5至10 W） , PA可以有铜帽，使散热器可以安装在顶部，并且可能需要风扇或其它先进的冷却技术。PA本身保持GaN PA相关的额定功率和小尺寸意味着对热环境建模至关重要。当然，将在允许的情况或结温范围内是不够的。从PA散去的热量