基于基礎架構接收器的超低噪聲放大器設計方案

引言

　　放大器要適用于無線基礎架構接收器，必須滿足低噪聲、高線性度和無條件穩定性等關鍵要求。為此，Skyworks使用 0.5 微米增強型pHEMT（即E-pHEMT）技術開發了新的低噪聲放大器（LNA）系列。覆蓋 0.7–1.0 GHz的 SKY67101-396LF 和覆蓋 1.7–2.0 GHz 的SKY67100-396LF 適用于 GSM、WCDMA、TDSCDMA 和 LTE基礎架構接收回路應用。為降低成本和節省 PCB 空間，這些 LNA 均采用2x2毫米 QFN 封裝，且不同頻帶可使用相同的布線。

　　1 規格

　　噪聲系數（NF）性能是接收器系統的關鍵參數之一，因為它描述的是對低電平信號的接收能力。噪聲系數越低，接收器的靈敏度越好。以三階交調截取點（IP3）表征了當有頻率相近信號時，放大器抑制互調失真的能力。絕對穩定性是指放大器在任何輸入或者輸出負載條件下都不會產生振蕩的能力。其它一些規格，包括電流消耗、回波損耗和人體模型靜電釋放（HBM ESD）等也同樣重要，在 LNA 設計過程中也必須對其加以考慮。

　　為了以最小的代價獲取最優化的性能，需要采用一些特殊的設計技術。低頻帶和高頻帶 LNA 的目標規格如表 1所示。

　　表 1. VDD = 5 V，溫度 = 25°C 條件下的 LNA 規格

　　2 技術和拓撲結構

　　選擇為獲得優秀的 RF 性能、超低的噪聲和高線性度，設計選擇使用 0.5 μm 增強型 pHEMT 技術。由于該技術在FET 的門極只需要正電壓，因而也簡化了 MMIC 設計。

　　這樣就可以直接把電源接地，并且無需額外元件構成自偏置結構。電路仿真也因此可以相當精確。

　　設計采用了具備高帶寬、高增益和高反向隔離度等特點的共源共柵 LNA 拓撲結構。

　　3 設計步驟

　　本論文將詳細講述 SKY67101-396LF 900 MHz LNA 的設計方案。SKY67100-396LF 1900 MHz 的設計使用相同的方法，通過頻率調整技術實現。低頻帶和高頻帶的測量結果和仿真結果顯示在“仿真和測量結果比較”部分。

　　3.1 偏置電路

　　圖 1 顯示的是隨溫度、制程和電源電壓變化，將 LNA 的電流消耗穩定在大約 55 mA 左右的主動調節偏置電路。

　　R1 用于通過設置引腳 4 的電壓來設置偏置總電流。電源偏置的任何波動將由有源偏置電路進行穩定處理。通過L1 電感器，引腳2獲得經過穩定處理的門極電壓。這些元件還用于實現輸入阻抗和噪聲系數源阻抗的匹配。

　　溫度變化（-40 °C 至 +80°C）時電源電流的測量值與仿真值差異約為 3 mA（如圖2所示）。

　　3.2 噪聲系數（NF）和輸入匹配

　　噪聲系數和輸入回波損耗是 LNA 設計中的主要因素。

　　共源共柵設計的第一級旨在獲得最佳的噪聲系數、輸出阻抗匹配和目標漏源電流（Ids）下的 P1dB。而緩沖級則是在不影響其它性能規格的前提下獲取最佳的 IP3 性能、輸出匹配和 P1dB。該拓撲結構通過源極反饋幾乎可以在所有阻抗下保持穩定（在添加級間網絡、輸出網絡、傳輸線路損耗和 SMT 元件寄生阻抗后，可以實現絕對穩定。請參閱“線性度”和“穩定性”部分）。圖3 顯示拓撲結構頻率變化時的增益和 NFmin 最小噪聲系數）權衡。