用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计

用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计：FikretAltunkilic、AlanMiller、VivianTzanakos和MicheleLewis

/Skyworks简介

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0.7–1.0GHz的SKY67101-396LF和覆盖1.7–2.0GHz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。

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(HBMESD)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=5V，温度=25°C条件下的LNA规格

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0.5μm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。

设计步骤

本论文将详细讲述SKY67101-396LF900MHzLNA的设计方案。SKY67100-396LF1900MHz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。

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55mA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。

图1.偏置、匹配元件和封装温度变化（-40°C至+80°C）时电源电流的测量值与仿真值差异约为3mA（如图2所示）。

图2.温度变化时补偿后的测量电流与仿真电流的对比

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3.频率变化时的增益与NFmin权衡

图4显示900MHz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。

图4.可用的增益和噪声圆

考虑SMT元件的寄生效应和传输线路损耗，在0.4dB噪声圆和18dB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。

线性度(OIP3)和P1dB

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+j44Ω完成匹配获得所需的NF、输入回波损耗和偏置电流增益后，P1dB和OIP3将取决于输出匹配和反馈网络。使用仿真模型估算0.9GHz下两个相隔5MHz的音调的OIP3，每个音调的输入功率为PIN=-20dBm。图5在史密斯图上显示了负载牵引阻抗，其中的圆表示0.9GHz下最佳的OIP3区域。图6显示0.9GHz下的OIP3和输出功率等高线。图5.OIP3、输出功率和IMD3的仿真负载牵引

图6.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P1dB仿真结果分别显示在图7和图8中。图7.匹配源和负载后的仿真OIP3

图8.匹配源和负载后的仿真P1dB

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18GHz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。

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(>250V)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。

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50mil厚的FR4基底上叠加10mil厚的Rogers4350B基板。RF电路中选择使用Rogers4350B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50Ω。覆铜厚度为1.4mil，可减少电路损耗及其对噪声系数的累加效应。评估板偏压使用4.0V单电源。

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。

图9.SKY67101-396LF评估板布局

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。

仿真和测量结果比较

图10和11描述了SKY67100-396LF(1.9GHz)和SKY67101-396LF(0.9GHz)随宽带频率范围变化得到的测量和仿真增益曲线图。SKY67101在0.9GHz的增益为18.2dB，SKY67100在1.9GHz的增益为17.67dB。

图10.SKY67101增益仿真值和测量值

图11.SKY67100增益仿真值和测量值

图12描述了SKY67101设备的输入和输出回波损耗。0.9GHz测得的输入和输出回波损耗均高于20dB。

图12.SKY67101回波损耗仿真值和测量值

图13描述了SKY67100设备的输入和输出回波损耗。

图13.SKY67100输入和输出回波损耗仿真值和测量值

图14和15显示了带内OIP3和P1dB性能。SKY67101的OIP3测量值在900+/-5MHz获得，而SKY67100在1950+/-5MHz获得。

图14.SKY67101大信号数据仿真值和测量值

图15.SKY67100大信号数据仿真值和测量值

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评估板传输线所造成的损耗，我们对SKY67101应用了0.05dB的校正系数，并对SKY67100应用了0.1dB的校正系数。

图16.SKY67101噪声系数(NF)仿真值和测量值

图17.SKY67100噪声系数(NF)仿真值和测量值

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