基于基礎架構接收器的超低噪聲放大器設計方案

引言

　　放大器要適用于無線基礎架構接收器，必須滿足低噪聲、高線性度和無條件穩(wěn)定性等關鍵要求。為此，Skyworks使用 0.5 微米增強型pHEMT（即E-pHEMT）技術開發(fā)了新的低噪聲放大器（LNA）系列。覆蓋 0.7–1.0 GHz的 SKY67101-396LF 和覆蓋 1.7–2.0 GHz 的SKY67100-396LF 適用于 GSM、WCDMA、TDSCDMA 和 LTE基礎架構接收回路應用。為降低成本和節(jié)省 PCB 空間，這些 LNA 均采用2x2毫米 QFN 封裝，且不同頻帶可使用相同的布線。

　　1 規(guī)格

　　噪聲系數(shù)（NF）性能是接收器系統(tǒng)的關鍵參數(shù)之一，因為它描述的是對低電平信號的接收能力。噪聲系數(shù)越低，接收器的靈敏度越好。以三階交調截取點（IP3）表征了當有頻率相近信號時，放大器抑制互調失真的能力。絕對穩(wěn)定性是指放大器在任何輸入或者輸出負載條件下都不會產(chǎn)生振蕩的能力。其它一些規(guī)格，包括電流消耗、回波損耗和人體模型靜電釋放（HBM ESD）等也同樣重要，在 LNA 設計過程中也必須對其加以考慮。

　　為了以最小的代價獲取最優(yōu)化的性能，需要采用一些特殊的設計技術。低頻帶和高頻帶 LNA 的目標規(guī)格如表 1所示。

　　表 1. VDD = 5 V，溫度 = 25°C 條件下的 LNA 規(guī)格

　　2 技術和拓撲結構

　　選擇為獲得優(yōu)秀的 RF 性能、超低的噪聲和高線性度，設計選擇使用 0.5 μm 增強型 pHEMT 技術。由于該技術在FET 的門極只需要正電壓，因而也簡化了 MMIC 設計。

　　這樣就可以直接把電源接地，并且無需額外元件構成自偏置結構。電路仿真也因此可以相當精確。

　　設計采用了具備高帶寬、高增益和高反向隔離度等特點的共源共柵 LNA 拓撲結構。

　　3 設計步驟

　　本論文將詳細講述 SKY67101-396LF 900 MHz LNA 的設計方案。SKY67100-396LF 1900 MHz 的設計使用相同的方法，通過頻率調整技術實現(xiàn)。低頻帶和高頻帶的測量結果和仿真結果顯示在“仿真和測量結果比較”部分。

　　3.1 偏置電路

　　圖 1 顯示的是隨溫度、制程和電源電壓變化，將 LNA 的電流消耗穩(wěn)定在大約 55 mA 左右的主動調節(jié)偏置電路。

　　R1 用于通過設置引腳 4 的電壓來設置偏置總電流。電源偏置的任何波動將由有源偏置電路進行穩(wěn)定處理。通過L1 電感器，引腳2獲得經(jīng)過穩(wěn)定處理的門極電壓。這些元件還用于實現(xiàn)輸入阻抗和噪聲系數(shù)源阻抗的匹配。

　　溫度變化（-40 °C 至 +80°C）時電源電流的測量值與仿真值差異約為 3 mA（如圖2所示）。

　　3.2 噪聲系數(shù)（NF）和輸入匹配

　　噪聲系數(shù)和輸入回波損耗是 LNA 設計中的主要因素。

　　共源共柵設計的第一級旨在獲得最佳的噪聲系數(shù)、輸出阻抗匹配和目標漏源電流（Ids）下的 P1dB。而緩沖級則是在不影響其它性能規(guī)格的前提下獲取最佳的 IP3 性能、輸出匹配和 P1dB。該拓撲結構通過源極反饋幾乎可以在所有阻抗下保持穩(wěn)定（在添加級間網(wǎng)絡、輸出網(wǎng)絡、傳輸線路損耗和 SMT 元件寄生阻抗后，可以實現(xiàn)絕對穩(wěn)定。請參閱“線性度”和“穩(wěn)定性”部分）。圖3 顯示拓撲結構頻率變化時的增益和 NFmin 最小噪聲系數(shù)）權衡。