用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计

作者：Fikret Altunkilic、Alan Miller、Vivian Tzanakos 和 Michele Lewis  / 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 0.7–1.0 GHz的 SKY67101-396LF 和覆盖 1.7–2.0 GHz 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 2 x 2 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 (HBM ESD) 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 = 5 V，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 0.5 μm 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 SKY67101-396LF 900 MHz LNA 的设计方案。SKY67100-396LF 1900 MHz 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 55 mA 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 3 mA（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 900 MHz 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 0.4 dB噪声圆和 18 dB 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 P1 dB
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 + j44 Ω 完成匹配获得所需的 NF、输入回波损耗和偏置电流增益后，P1 dB 和 OIP3 将取决于输出匹配和反馈网络。使用仿真模型估算 0.9 GHz 下两个相隔 5 MHz 的音调的 OIP3，每个音调的输入功率为PIN = -20 dBm。图 5 在史密斯图上显示了负载牵引阻抗，其中的圆表示 0.9 GHz 下最佳的 OIP3 区域。图 6 显示 0.9 GHz 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