低噪声和功率放大器

王浩然

对性能、小型化和更高频率操作的推动正在挑战无线系统中两个关键的天线连接组件的限制：功率放大器 (PA) 和低噪声放大器 (LNA)。这种转变是由使 5G 成为现实的努力以及在 VSAT 终端、微波无线电链路和相控阵雷达系统中使用 PA 和 LNA 推动的。

这些应用的要求包括更低的噪声（对于 LNA）和更高的效率（对于 PA），以及在高达 10 GHz 及以上的更高频率下运行。为了满足这些日益增长的需求，LNA 和 PA 制造商正在从传统的全硅工艺转向用于 LNA 的砷化镓 (GaAs) 和用于 PA 的氮化镓 (GaN)。

在介绍典型的 GaAs 和 GaN 器件之前，本文将解释 LNA 和 PA 的作用和要求及其主要特性，以及使用它们进行设计时应注意的事项。

LNA的敏感作用
LNA的功能是从天线中取出极其微弱和不确定的信号，通常在微伏级或-100 dBm以下，并将其放大到更有用的水平，通常约为二分之一到一伏特（图1） ）。为了帮助理解这一点，在 50 Ω 系统中，10 μV 是 -87 dBm，100 μV 等于 -67 dBm。

虽然提供这种增益本身并不是现代电子产品的主要挑战，但它会受到 LNA 可能添加到微弱输入信号中的任何噪声的严重影响。这种噪声可能会压倒 LNA 添加的放大带来的任何好处。

图 1：接收路径的低噪声放大器 (LNA) 和发射路径的功率放大器 (PA) 通过双工器连接到天线，将两个信号分开，防止相对强大的 PA 输出使敏感的过载低噪声放大器输入。（图片来源：Digi-Key Electronics）

请注意，LNA 在未知世界中发挥作用。作为接收器通道的前端，它必须捕获并放大天线在感兴趣的带宽内呈现给它的极低功率、低电压信号以及相关的随机噪声。在信号理论中，这称为未知信号/未知噪声挑战，是所有信号处理挑战中最困难的。

对于 LNA，主要参数是噪声系数 (NF)、增益和线性度。噪声是由热源和其他来源引起的，典型的噪声系数在 0.5 到 1.5 dB 范围内。单级的典型增益在 10 到 20 dB 之间。一些设计使用具有低增益、低 NF 级的级联放大器，然后是可能具有更高 NF 的更高增益级，但一旦初始信号“增益”，这就不那么重要了。

非线性是 LNA 的另一个问题，因为由此产生的谐波和互调失真会破坏接收到的信号，并使以足够低的误码率 (BER) 对其进行解调和解码变得更加困难。线性通常以三阶截取点 (IP3) 为特征，它将由三阶非线性项引起的非线性产物与线性放大信号相关联；IP3 值越高，放大器性能越线性。

LNA 中的功耗和效率通常不是主要问题。就其性质而言，大多数 LNA 都是相当低功耗的设备，电流消耗为 10 到 100 mA，它们为后续级提供电压增益，而不是向负载供电。此外，系统中只有一个或两个 LNA 通道（后者通常用于分集天线设计，例如 Wi-Fi 和 5G 接口），因此使用低功率 LNA 的任何节省都是适度的。

除了它们的工作频率和带宽之外，LNA 之间还存在着较大的功能相似性。一些 LNA 还包括增益控制，因此放大器可以处理宽动态范围的输入信号而不会过载和饱和。这种变化很大的输入信号强度在移动应用中很常见，即使在单个连接周期内，基站到电话的路径损耗也可能有很大的范围。

输入信号到 LNA 的路由以及来自它的输出信号与部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 的全部性能潜力。优秀的部件很容易因不良的布局或阻抗匹配而降级，因此使用供应商提供的史密斯圆图至关重要，以及可靠的支持仿真和分析软件的电路模型。

由于这些原因，几乎所有在 GHz 范围内运行的高性能 LNA 供应商都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。如果没有这些资源，设计人员将浪费时间尝试评估部件在其应用中的性能。

基于 GaAs 的 LNA 的一个示例是HMC519LC4TR，这是ADI 公司的 18 至 31 GHz pHEMT（伪晶高电子迁移率晶体管）器件（图 2）。这种无引线 4 × 4 mm 陶瓷表面贴装封装提供 14 dB 的小信号增益、3.5 dB 的低噪声系数和 +23 dBm 的高 IP3。它从单个 +3 V 电源汲取 75 mA 电流。



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、接地或未使用。（图片来源：AD）

设计过程从简单的功能框图到多个不同值和类型的外部电容器，以在三个电源轨馈电（指定为Vdd）上提供适当的 RF 旁路和低寄生电容（图 3）。

图 3：在实际应用中，HMC519LC4TR LNA 需要在其电源轨上安装多个旁路电容器（所有额定电压都相同），以提供用于低频滤波的大容量电容以及用于 RF 旁路的较小电容值最小化射频寄生。（图片来源：AD）

这个增强的原理图引出了评估板，其中详细说明了布局和 BOM，包括使用非 FR4 印刷电路板材料（图 4(a) 和 4(b)）。

图 4：鉴于这些 LNA 前端工作的高频以及它们必须捕获的低电平信号，详细的、经过测试的评估设计是必不可少的。这包括原理图（未显示）、电路板布局 (a) 和 BOM，以及无源元件和印刷电路板材料 (b) 的详细信息。（图片来源：模拟设备）

用于更高频率的 GaAs LNA 是MACOM MAAL-011111，它支持 22 至 38 GHz 的操作（图 5）。它提供 19 dB 的小信号增益以及 2.5 dB 的噪声系数。这个 LNA 看起来是一个单级设备，但在内部它实际上有三个级联级。第一级针对最低噪声和中等增益进行了优化，而后续级则提供了额外的增益。

图 5：对于用户来说，MAAL-011111 LNA 似乎是一个单级放大器，但它在内部使用了一系列增益级，旨在最大限度地提高输入到输出信号路径的 SNR，同时在输出端增加显着的增益. （图片来源：MACOM）

与 ADI 公司的 LNA 一样，MAAL-011111 只需要一个低压电源，并且尺寸仅为 3 × 3 mm。用户可以通过将偏置（电源）电压设置为 3.0 到 3.6 V 之间的不同值来调整和权衡一些性能规格。建议的电路板布局显示了保持适当阻抗匹配和接地平面性能所需的关键印刷电路板铜尺寸（图 6）。

图 6：充分利用 MACOM 的 MAAL-011111 的建议布局，同时还提供输入和输出阻抗匹配。请注意将印刷电路板铜用于阻抗控制传输线以及低阻抗接地层（尺寸以毫米为单位）。（图片来源：MACOM）


PA驱动天线
与 LNA 困难的信号捕获挑战相比，PA 从电路中获取具有非常高 SNR 的相对较强的信号，并且必须提高其功率。关于信号的所有一般因素都是已知的，例如幅度、调制、形状、占空比等。这是信号处理图的已知信号/已知噪声象限，也是最容易管理的象限。

PA 的主要参数是其在感兴趣频率下的功率输出，典型的 PA 增益范围在 +10 和 +30 dB 之间。与增益一样，效率是另一个关键的 PA 参数，但任何效率评估都会因使用模型、调制、占空比、允许失真和要增强的信号的其他方面而变得复杂。PA 效率在 30% 到 80% 的范围内，但这在很大程度上取决于许多因素。与 LNA 一样，PA 线性度也很关键，由 IP3 判断。

虽然许多 PA 在较低功率水平（最高约 1 至 5 W）下使用 CMOS 技术，但近年来，其他技术已经成熟并得到广泛使用，特别是在更高功率水平下，效率对于电池寿命和散热都至关重要. 使用 GaN 的 PA 在更高的功率水平和更高的频率（通常高于 1 GHz）下提供更好的效率，其中需要几瓦或更多。GaN PA 具有成本竞争力，尤其是在考虑效率和功耗的情况下。

Wolfspeed CGHV14800F，一个1400至00年兆赫，800瓦装置，是代表性的一些最近的基于GaN的功率放大器。这种 HEMT PA 的效率、增益和带宽组合针对脉冲 L 波段雷达放大器进行了优化，使设计人员能够在空中交通管制 (ATC)、天气、反导弹和目标跟踪系统等应用中找到许多用途。它使用 50 V 电源，提供 50% 或更高的典型漏极效率，并采用 10 × 20 mm 陶瓷封装，带有用于冷却的金属法兰（图 7）

图 7：CGHV14800F 1200 至 1400 MHz、800 W、GaN PA 的带有金属法兰的 10 × 20 mm 陶瓷封装必须同时满足严苛的 RF 和耗散要求。请注意用于将封装拧入而不是焊接到印刷电路板的安装法兰，以实现机械和热完整性。（图片来源：Cree/Wolfspeed）

CGHV14800F 由 50 V 电源供电，通常提供 14 dB 的功率增益和 > 65% 的漏极效率。与 LNA 一样，评估电路和参考设计必不可少（图 8）。

图 8：为 CGHV14800F PA 提供的演示电路除设备本身外只需要很少的组件，但物理布局和散热考虑至关重要；PA 用螺钉和螺母（在底部，不可见）通过封装法兰固定在电路板上，这些法兰既满足安装完整性又满足热目标。（图片来源：Cree/Wolfspeed）

同样重要的是，在众多规格表和性能曲线中，有功率耗散降额曲线（图 9）。这显示了可用功率输出额定值与外壳温度的关系，并表示最大允许功率在高达 115⁰C 时保持不变，然后线性下降到其最大额定值 150⁰C。

图 9：由于其在提供功率方面的作用，需要 PA 的降额曲线来向设计人员展示允许的输出功率随外壳温度升高而降低的情况。此处，额定功率在 115 ⁰ C后迅速下降。（图片来源：Cree/Wolfspeed）

MACOM 还提供基于 GaN 的 PA，例如 NPT1007 GaN 晶体管（图 10）。其 DC 至 1200 MHz 的频率跨度使其适用于宽带和窄带 RF 应用。它通常采用 14 至 28 V 的单电源供电，在 900 MHz 下提供 18 dB 的小信号增益。它旨在容忍 10:1 SWR（驻波比）失配，而不会降低设备性能。

图 10：MACOM 的 NPT1007 GaN PA 跨越 DC 到 1200 MHz 的范围，使其适用于宽带和窄带 RF 应用。设计人员通过各种负载牵引图获得额外支持。（图片来源：MACOM）

除了显示 500、900 和 1200 MHz 性能基础的图表外，NPT1007 还得到各种“负载牵引”图表的支持，以帮助努力确保产品稳健的电路和系统设计人员（图 11）。负载牵引测试是使用成对的信号源和信号分析仪（频谱分析仪、功率计或矢量接收器）完成的。

该测试需要改变被测设备 (DUT) 所见的阻抗，以评估 PA 的性能（包括输出功率、增益和效率等因素），因为任何相关的组件值都可能因温度变化或由于温度变化而发生变化在其标称值周围的公差带内的变化。

图 11：NPT1007 PA 的负载牵引图超出了最小/最大/典型规格的标准表，以显示 PA 性能随着其负载阻抗偏离其标称值，这种情况在实际使用中会由于初始生产公差和热漂移。（图片来源：MACOM）

无论使用何种 PA 工艺，供应商都必须充分表征设备的输出阻抗，以便设计人员将其与天线正确匹配，以实现最大功率传输，并使 SWR 尽可能接近统一。该匹配电路主要由电容器和电感器组成，它们可以作为分立器件实现，或者作为印刷电路板的一部分甚至产品包装制造。它们还必须设计为能够维持 PA 功率水平。同样，使用史密斯圆图等工具对于理解和实施所需的阻抗匹配至关重要。

由于 PA 的小芯片尺寸和高功率水平，封装是一个关键问题。如前所述，许多 PA 支持通过宽大的散热封装引线和法兰进行散热，以及封装下方的散热片作为通向印刷电路板铜的路径。在更高的功率水平（大约 5 到 10 W 以上）时，PA 可能有一个铜帽，允许将散热器安装在顶部，并且可能需要风扇或其他先进的冷却技术。

与 GaN PA 相关的额定功率和小尺寸意味着热环境建模至关重要。当然，仅将 PA 本身保持在允许的外壳或结温额定值范围内是不够的。从 PA 带走的任何热量不得成为电路和系统其他部分的问题。必须考虑解决和解决整个热路径。

结论
基于射频的系统，从智能手机到 VSAT 终端和相控阵雷达系统，正在推动 LNA 和 PA 性能的极限。这促使设备制造商超越硅探索 GaAs 和 GaN 以提供所需的性能。

这些新的工艺技术为设计人员提供了具有更宽带宽、更小尺寸和更高效率的设备。但是，设计人员需要了解 LNA 和 PA 操作的基础知识，才能有效地应用这些新技术。

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