低噪聲、高線性度的3.5GHz LNA設(shè)計(jì)

　　匹配、射頻去耦和偏置功能總共需要12個(gè)片外元件，因?yàn)檫@些功能無(wú)法集成在芯片上(表1)。

　　表1：LNA評(píng)估電路的物料清單。

　　C3、C6和L1提供柵極偏置的射頻去耦。C1-L3 L網(wǎng)絡(luò)將器件S11轉(zhuǎn)換為Z0，如圖2所示。輸入的中頻帶有意偏移完美的匹配狀態(tài)，以便能夠環(huán)繞Smith圖中心以獲得更寬帶寬。高通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以復(fù)現(xiàn)低頻(LF)工作。

　　圖2：仿真得到的輸入匹配軌跡。

　　器件ZOUT在f0時(shí)已經(jīng)接近50Ω，因此不需要進(jìn)一步匹配。C2和L2則分別用作隔直器和扼流圈。它們還隱含有高通特性，可進(jìn)一步增強(qiáng)LF穩(wěn)定性。在第一次設(shè)計(jì)迭代過(guò)程中，L2用的是一個(gè)0402繞線電感，這將在最低頻點(diǎn)(11GHz)形成0.94的Rollett穩(wěn)定系數(shù)(k)。當(dāng)L2在后來(lái)的原型中用多層0402電感代替時(shí)，這個(gè)最低系數(shù)k在10GHz可輕松的提高到1.2(見圖3)。我們認(rèn)為這個(gè)多層電感在10GHz點(diǎn)具有更低的Q(品質(zhì)因數(shù))是穩(wěn)定性提高的根本原因。圖3中的仿真結(jié)果支持這一推測(cè)，即通過(guò)選擇更低Q值的L2可以提高穩(wěn)定系數(shù)k。

　　圖3：仿真得到的k與頻率的關(guān)系：L2降低Q值的函數(shù)。10GHz時(shí)，將QUL從25降低至5可以提高穩(wěn)定系數(shù)k。

　　為L(zhǎng)1-L3選擇的芯片電感應(yīng)具有比f(wàn)0更高的自諧振頻率(SRF)。如此謹(jǐn)慎的做法可以確保3.5GHz處電感的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)具有可預(yù)測(cè)性。

　　由于輸出和輸入引腳的偏置電壓來(lái)自同一電源(Vdd)，因此，一部分輸出信號(hào)可能通過(guò)傳導(dǎo)的方式沿著公共的直流通路返回到輸入端。輸出和輸入信號(hào)的相量疊加可能形成增益紋波，甚至低于f0的振蕩。為了避免電源上發(fā)生意外的輸出至輸入反饋，需要使用去耦電容C3-C6將交流信號(hào)旁路到地。小電容和大電容的組合使用可以在更寬的頻譜上實(shí)現(xiàn)有害信號(hào)的抑制。

　　盡管輸入匹配電路具有高通響應(yīng)特性，但其有限的帶外抑制允許一定程度的低頻信號(hào)滲入。由于FET柵極在低頻時(shí)接近開路，所以信號(hào)將被反射回源極。由于入射和反射的輸入信號(hào)在頻率范圍內(nèi)存在相位變化，因此它們的矢量疊加將在輸入反射系數(shù)(ΓIN)上產(chǎn)生紋波，如圖4所示。在紋波尖峰超過(guò)單位1的頻率點(diǎn)，放大器可能會(huì)變得不穩(wěn)定。由此可以知道，穩(wěn)定性判據(jù)k在受影響的頻率處也將小于1。由R2和C6組成的解決方案給反射信號(hào)提供了電阻端接，因此可以降低f0以下的紋波。

　　圖4：在增加R2-C6低頻端接網(wǎng)絡(luò)之前和之后測(cè)得的輸入反射系數(shù)。

　　為了在時(shí)域雙工(TDD)模式下切換LNA，RBIAS的Vdd端可以被重新連接到0/5V控制邏輯。切換時(shí)間受RBIAS和C6的大時(shí)間常數(shù)(τ=RBIAS·C6)限制。為了實(shí)現(xiàn)更快的導(dǎo)通，C6可以減小到與C3相同的值。在此評(píng)估板上，C6值為10pF時(shí)，測(cè)得的導(dǎo)通時(shí)間約為0.6μs。

　　面積為21.5x18mm2的PCB在10mil的Rogers RO4350材料上使用了帶共面地的微帶線。這種價(jià)格適中的基板具有適度的射頻性能，并且與FR4制造工藝兼容。由于RO4350 PCB本身較薄而太柔軟，因此需要在其地平面?zhèn)日迟N一塊1.2mm厚的FR4附加層進(jìn)行加固，使PCB疊層足夠厚(1.45mm)，以適合使用標(biāo)準(zhǔn)邊緣安裝(edge-launch)射頻連接器的滑合座。

　　MMIC底部的中央板和引腳4必須使用盡可能短的路線連接到射頻地，以盡量減小有害的寄生效應(yīng)。如果在MMIC和PCB地平面之間存在明顯的寄生電感，可能出現(xiàn)包括增益下降和頻率大于10GHz的振蕩等問(wèn)題。在MMIC下方直接放置4個(gè)過(guò)孔就可以實(shí)現(xiàn)到底部地平面的連接。根據(jù)良好的射頻使用習(xí)慣，所有未用的MMIC引腳也都連接到地。