低噪聲、高線性度的3.5GHz LNA設(shè)計(jì)

　　為了盡量減少甚至避免實(shí)際的調(diào)整，在建立原型之前需要通過仿真設(shè)計(jì)片外電路。預(yù)測(cè)潛在問題(如帶外不穩(wěn)定性)還有助于避免將錯(cuò)誤的PCB版圖提交給制造部門。

　　為了便于匹配電路的設(shè)計(jì)，需要通過測(cè)量處于典型偏置條件下的定制設(shè)計(jì)夾具上的物理器件獲得MMIC散射參數(shù)(s2p)。這種特征化夾具使用與原型LNA相同的PCB材料(10mil RO4350)。在利用穿透反射線(RTL)技術(shù)從原始數(shù)據(jù)中除去夾具效應(yīng)后，生成的s2p數(shù)據(jù)就反映了器件及其PCB封裝外形(即器件下方的安裝焊盤和基板)。然后把s2p文件導(dǎo)入安杰倫科技的ADS2006A軟件用于電路仿真。

　　在第一次仿真迭代過程中，可以采用簡(jiǎn)化的等效電路對(duì)片外元件進(jìn)行建模。雖然制造商提供的s2p文件可以用于構(gòu)建這些RLC無源器件的模型，但它們?nèi)狈﹄S時(shí)修改元件值的便利性，可能減慢仿真器中的調(diào)諧過程。另外，電容制造商提供的s2p數(shù)據(jù)在有效性方面有嚴(yán)格的限制，因?yàn)樗刂酒L(zhǎng)軸只有一個(gè)參考面，所以其只對(duì)于并聯(lián)電容才是準(zhǔn)確的。因?yàn)榇?lián)在射頻通路中的電容是真正的雙端口器件，需要兩個(gè)參考平面，即一個(gè)端子需要一個(gè)參考平面，所以這種數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確地表述這種電容。

　　通過直觀地選擇最重要的寄生元件，可以創(chuàng)建簡(jiǎn)化的RLC元件等效電路，正如Rhea描述的那樣。由2個(gè)或3個(gè)元件的等效電路組成的這些元件模型只能解決基頻諧振，而現(xiàn)實(shí)世界的無源元件具有多種更高的諧振頻率。更精確的建模技術(shù)(如基于測(cè)量的模型)可以覆蓋多種更高的諧振頻率，但是要求額外的測(cè)量和計(jì)算機(jī)優(yōu)化來開發(fā)。為了設(shè)計(jì)LNA阻抗匹配電路，可以容忍簡(jiǎn)單模型的頻率限制，因?yàn)槲覀冎饕菍?duì)f0周圍的頻率范圍感興趣。值得注意的是，制造商提供的許多s2p文件也是頻率受限的。

　　電感模型使用了最接近f0的頻率點(diǎn)(通常是1.7GHz或1.8GHz，具體取決于制造商，這在數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以找到)規(guī)定的QUL典型值，然后可以使用Q∝√f關(guān)系外推到3.5GHz以上。電感的寄生電容(Cpst)從公布的SRF典型值計(jì)算得到，但需要增加額外的0.1pF，以代表與PCB焊盤有關(guān)的寄生電容。電容模型中的寄生電感(Lpst)遵循供應(yīng)商軟件中提供的值。

　　結(jié)果與討論

　　原型在以下條件下進(jìn)行評(píng)估：5V供電電壓，3.5GHz中心頻率和室溫。通過使用3.3kΩ的RBIAS值將器件電流Idd設(shè)置為60±5mA。

　　最首要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是同時(shí)達(dá)到良好的反射損耗(IRL-15dB)和低噪聲水平(F1dB)。這個(gè)要求最初來自雙工器或?yàn)V波器對(duì)端接敏感的基站(BTS)市場(chǎng)部分。較老的基站實(shí)現(xiàn)通常依賴位于平衡LNA輸入端的隔離器或積分耦合器同時(shí)實(shí)現(xiàn)低反射損耗和噪聲系數(shù)。但是，鑒于成本和空間的考慮，較新的實(shí)現(xiàn)設(shè)法取消了隔離器或積分耦合器。在圖5中，在3.5GHz處測(cè)得的性能是：IRL=-16dB,ORL=-12dB和ISO=-32dB。在約300MHz處產(chǎn)生的最小反射損耗低于目標(biāo)要求，然而并不需要重新調(diào)諧輸入匹配電路，因?yàn)槠渌笠呀?jīng)滿足。除此之外，還需要有比普通E12更高粒度的LC值，將中頻帶搬移到準(zhǔn)確的3.5GHz。測(cè)量得到的ISO要比同樣尺寸的單個(gè)EPHEMT好13dB左右。

　　圖5：測(cè)量和仿真得到的輸入反射損耗(IRL)、輸出反射損耗(ORL)和反向隔離(ISO)與頻率的關(guān)系。

　　在3.5GHz測(cè)得的噪聲系數(shù)稍低于1dB。由于前述的輸入匹配誤差，最小值被偏移到3GHz。最小的F要比單個(gè)PHEMT參考約低0.1dB。最大增益17.6dB發(fā)生在2.6GHz，但保持了15.6dB的足夠增益。

　　對(duì)最終的LNA潛在的不穩(wěn)定性進(jìn)行了徹底研究，結(jié)果見圖6所示的圖形。在通帶之外，增益單調(diào)地下降，其較小的拐點(diǎn)位于14GHz和18GHz。造成峰值的可能原因是元件諧振和輸入輸出耦合，但當(dāng)這些峰值低于單位增益時(shí)，在尺寸不合適的金屬外殼中空腔共振風(fēng)險(xiǎn)很小。從圖7還可以看出Rollett穩(wěn)定系數(shù)(公式31)，穩(wěn)定性指標(biāo)D=|S11S22-S12S21|。這兩個(gè)指標(biāo)都是根據(jù)測(cè)量到的板級(jí)s2p計(jì)算出來的。由于測(cè)量表明在整個(gè)評(píng)估的頻率范圍內(nèi)k>1和D1，因此，能夠保證帶正實(shí)數(shù)部分的任何端接都具有絕對(duì)穩(wěn)定性。

　　圖6：測(cè)量和仿真得到的噪聲系數(shù)(F)和增益(G)與頻率的關(guān)系。

　　圖7：測(cè)量和仿真得到的增益(G)、Rollett穩(wěn)定系數(shù)(k)和穩(wěn)定性指標(biāo)(D)與頻率的關(guān)系。

　　由于接收機(jī)元件具有非線性，相鄰?fù)ǖ佬盘?hào)可能形成三階互調(diào)失真(IMD3)。由2f1-f2或2f2-f1關(guān)系確定的非線性不可能被濾除，因?yàn)樗鼈兎浅＝咏杏眯盘?hào)。線性度的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)三階交點(diǎn)OIP3被定義為基頻信號(hào)功率(Pfund)和IMD3功率理論上的交叉點(diǎn)。在線性區(qū)域，OIP3可以利用公式3從IMD3幅度計(jì)算得到：

　　(公式3)

　　其中，ΔIM是基頻信號(hào)功率和互調(diào)產(chǎn)物功率之間的差值(單位dB)。

　　評(píng)估這個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)使用了位于3500MHz和3501MHz的兩個(gè)輸入聲調(diào)。然而，不希望有其它頻率間距去明顯改變結(jié)果。如圖8所示，在由Pi-4dBm包圍的線性工作區(qū)域內(nèi)，OIP3≥35dBm。這要比單個(gè)PHEMT低1dB，這個(gè)值非常顯著，因?yàn)閂DS在共源共柵拓?fù)渲兄挥幸话?。IMD中的零點(diǎn)或最佳點(diǎn)位于-6dBm輸入驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，表明這是AB類操作。形成零點(diǎn)的原因是小信號(hào)IMD和大信號(hào)IMD在飽和開始時(shí)處于異相狀態(tài)。

　　圖8：測(cè)量得到的輸出功率(Po)、三階互調(diào)功率(IMD3)和三階交點(diǎn)(OIP3)與頻率的關(guān)系。

　　通過降低G和增加F使接收機(jī)減敏的阻塞現(xiàn)象可以由異步干擾源(如共享同一鐵塔的強(qiáng)大的發(fā)射機(jī))或同步源(如經(jīng)過同時(shí)具有收發(fā)功能的收發(fā)器中的循環(huán)器或雙工器泄漏的信號(hào)傳輸)造成。因此，具有高增益抑制閾值的元件可以更加有效地抵抗阻塞。增益抑制主要是由放大器中的非線性轉(zhuǎn)移特性造成的，隨著作為次要因素的散熱漸增，放大器將被驅(qū)動(dòng)到線性范圍之外。

　　圖9顯示了+19dBm的輸出1dB壓縮點(diǎn)(P1dB)，其類似于參考的單個(gè)EPHEMT。盡管共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更低的VDS，還是獲得了很高的P1dB，因?yàn)镚aAs更低的體積電導(dǎo)率具有更少的熱量損失，以及ePHEMT低膝點(diǎn)電壓(0.3V)在鉗位之前允許更大的電壓擺幅。允許電流Id像AB類功放那樣與功率的平方成正比(即Id∝Po2)，也導(dǎo)致了更高的P1dB，在類似的設(shè)計(jì)中顯示了在2.4GHz處有4dB的改善。

　　圖9：測(cè)量到的G和Id與輸出功率(Po)的關(guān)系。

　　本文小結(jié)

　　至此，已經(jīng)用低成本、QFN2x2封裝的MMIC成功設(shè)計(jì)出了具有優(yōu)良噪聲系數(shù)、增益和線性性能的3.5GHz LNA。結(jié)合芯片級(jí)的偏置調(diào)節(jié)器、ESD保護(hù)和穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)，可以將外部元件數(shù)量減少到12個(gè)。安華高的GaAs EPHEMT專有工藝可以在不降低增益、功率和線性度的條件下用單級(jí)電路實(shí)現(xiàn)+15dB的增益，這是因?yàn)楣苍垂矕啪w管僅工作在VDD的一半。在3.5GHz頻率點(diǎn)，共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與相同柵極寬度的單個(gè)EPHEMT相比，具有可觀的增益和隔離優(yōu)勢(shì)。未來的工作將專注于輸入匹配誤差的校正，和在較寬電源電壓范圍內(nèi)進(jìn)行定性分析。