低噪声、高线性度的3.5GHz LNA设计

无线接收机的灵敏度实际上主要与系统噪声系数(F)有关，因为带宽(BW)由标准预先确定。

(公式1)

　　低噪声放大器(LNA)正如它的名字含义那样，通过减小系统噪声系数来提高接收机的灵敏度。Friss公式表明，接收机第1级电路的噪声系数(F1)占主导作用，后级电路(即F2,F3...)的影响则逐渐减小。

(公式2)

　　其中，Gn代表接收链路中第n级电路的增益。

　　发射机和接收机通过选频双工器，或者频域双工或时域双工(TDD)的射频开关，共用一根天线。另外，在LNA之前可能会插入一个带通滤波器，用于防止被强大的带外干扰所阻塞或减敏。遗憾的是，双工器和滤波器都是无源器件，都存在一定的射频损耗。因为这些损耗发生在LNA之前，所以它们对总的灵敏度有很大的影响。因此，如果LNA噪声系数具有一定的设计余量，那么双工器和滤波器的损耗指标也许就不那么重要了。

　　除了低噪声外，其它重要的性能参数还包括增益和线性度。无线基础设施通常包含一个塔顶安装的LNA，这个LNA需要通过一根长电缆连接到地面的无线电小屋，因此，为了克服电缆损耗，最好具有较高的增益。线性度之所以重要，是因为在塔周围的射频频谱非常拥挤，因为要与其它无线服务共享基站。

　　本文的目的是要表明，从性能和成本角度考虑，单级GaAs PHEMT微波单片集成电路(MMIC)是实现无线基础设施使用的3.5GHz LNA的最佳解决方案。

　　MMIC器件

　　图1显示了安华高公司MGA-635P8 MMIC的内部和外部电路。内部电路由制造在同一裸片上的一个共源共栅放大器(AMP)和一个有源偏置调节器(BIAS)组成。共源共栅拓扑结构主要是根据3.5GHz时大于15dB增益这个要求设计的，因为以前采用相同的GaAs增强型伪形态高电子迁移率晶体管(ePHEMT)工艺的共源(CS)设计只能达到约13dB的增益。虽然两级共源电路可以通过级联达到期望的增益，但共源共栅拓扑结构具有电流再使用的额外优势，即同一电流流经两级电路。

图1：(a)LNA电路和(b)PCB和元件。

　　在一些接收机实现中，当输入信号很强时，LNA之后的增益级电路将被射频开关旁路掉。开关切换引起的LNA负载匹配(ΓL)的变化将被传回到输入匹配(S11)，因为该器件为非单向型(即S12≠0)。天线和输入滤波器都是对端接非常敏感的器件，它们可能因S11变化而失谐。当S12接近于零时，S11对负载变化的敏感度会降低，(公式21) (当s12→0)。

　　共源共栅拓扑的反向隔离是共源拓扑的1/200至1/2000，这是选择共源共栅拓扑的第二个原因。由于直接转换接收器对本地振荡器的自混频较灵敏，所以此器件同样能从较好的隔离中受益。

　　共源共栅拓扑中的每个FET都只能得到总供电电压Vdd的一半。因此，在低电压工作时，共源共栅拓扑的增益和线性度可能要比共源拓扑低。EPHEMT是实现共源共栅的理想选择，因为其增益和线性度在Vds≥2V时非常稳定。共源共栅输出要与串联RC网络级联起来，以便提高工作频率以上的稳定性。

　　MMIC采用了成熟且极具成本效益的0.25μm工艺制造，其增益带宽乘积fT超过30GHz。除了尽量减少达到目标增益所要求的电路级数外，较高的fT也有利于实现低噪声系数。另外，通过加倍金属厚度，可以最大限度地减小电路互连中产生的Johnson噪声。这种0.64x0.64mm芯片安装在8引脚的方形扁平无引脚(QFN，2x2x0.75mm)塑料封装内。

　　内部偏置调节器允许通过RBIAS或外部施加的偏置电压VBIAS控制LNA静态电流(Ids)。调节器的低电流驱动要求(IBIAS≤1mA)与大多数CMOS器件兼容，并且可以在时域双工(TDD)应用中使用5V逻辑切换LNA(断开LNA可以防止发射期间由于栅极电流增加引起的金属迁移)。器件阈值电压(VT)、前向跨导(gm)和RDS(导通)会随温度变化以及晶圆不同而改变，进而逆向改变工作点。在此设计中，在一颗芯片上集成偏置调节器和LNA有助于稳定工作点，因为VBIAS和VGS电压可以通过相互"镜像"来补偿热漂移和不同晶圆批次之间的gm变化。

　　片外电路

　　匹配、射频去耦和偏置功能总共需要12个片外元件，因为这些功能无法集成在芯片上(表1)。

表1：LNA评估电路的物料清单。

　　C3、C6和L1提供栅极偏置的射频去耦。C1-L3 L网络将器件S11转换为Z0，如图2所示。输入的中频带有意偏移完美的匹配状态，以便能够"环绕"Smith图中心以获得更宽带宽。高通拓扑结构可以复现低频(LF)工作。

图2：仿真得到的输入匹配轨迹。

器件ZOUT在f0时已经接近50Ω，因此不需要进一步匹配。C2和L2则分别用作隔直器和扼流圈。它们还隐含有高通特性，可进一步增强LF稳定性。在第一次设计迭代过程中，L2用的是一个0402绕线电感，这将在最低频点(11GHz)形成0.94的Rollett稳定系数(k)。