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 規格

　　噪聲系數（NF）性能是接收器系統的關鍵參數之一，因為它描述的是對低電平信號的接收能力。噪聲系數越低，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生振蕩的能力。其它一些規格，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 的目標規格如表 1所示。

　　表 1. VDD = 5 V，溫度 = 25°C 條件下的 LNA 規格

　　2 技術和拓撲結構

　　選擇為獲得優秀的 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。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 的電流消耗穩定在大約 55 mA 左右的主動調節偏置電路。

　　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定處理。通過L1 電感器，引腳2獲得經過穩定處理的門極電壓。這些元件還用于實現輸入阻抗和噪聲系數源阻抗的匹配。

　　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（NF）和輸入匹配

　　噪聲系數和輸入回波損耗是 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、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定（在添加級間網絡、輸出網絡、傳輸線路損耗和 SMT 元件寄生阻抗后，可以實現絕對穩定。請參閱“線性度”和“穩定性”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）權衡。

　　圖 4 顯示 900 MHz 時共源共柵拓撲結構在史密斯圖中源極穩定區域內的噪聲系數常量圓、源級穩定性圓和可用的增益圓。

　　考慮 SMT 元件的寄生效應和傳輸線路損耗，在 0.4 dB噪聲圓和 18 dB 增益圓內選中源阻抗點 Zs = 64 + j44Ω，作為噪聲、增益和輸入回波損耗匹配之間的權衡點。

　　輸入匹配網絡由 C1、C2 和 L1 實現。C1 和 L1 選用高Q 元件以獲取最佳的噪聲系數。C1 還用于直流阻隔。有關仿真增益、輸入回波損耗和噪聲系數的信息，請參閱“仿真和測量結果比較”部分。

　　3.3 線性度（OIP3）和 P1 dB

　　帶內和帶外的輸入、輸出端接負載，將直接影響放大器的線性度。放大器的輸入和輸出負載可以通過源和負載牽引技術掃描得到。在這里，負載牽引的測量是在源匹配完成之后進行的。

　　源與阻抗 Zs = 64 + j44 Ω 完成匹配獲得所需的 NF、輸入回波損耗和偏置電流增益后，P1 dB 和 OIP3 將取決于輸出匹配和反饋網絡。使用仿真模型估算 0.9 GHz 下兩個相隔 5 MHz 的音調的 OIP3，每個音調的輸入功率為PIN = -20 dBm。圖 5 在史密斯圖上顯示了負載牽引阻抗，其中的圓表示 0.9 GHz 下最佳的 OIP3 區域。

　　圖 6 顯示 0.9 GHz 下的 OIP3 和輸出功率等高線。

　　最終的負載牽引仿真和匹配應在連接好輸入和輸出匹配電路（如圖 1 所示）后執行。完成源和負載匹配后，OIP3 和 P1 dB 仿真結果分別顯示在圖 7 和圖 8 中。

　　3.4 穩定性

　　穩定性是 LNA 最重要的要求之一。典型的規格要求實現最高 18 GHz 頻率下絕對穩定工作。每一級設計也必須符合絕對穩定工作的要求，包括所有條件下的所有外部元件和偏置。在此頻率范圍內的多數情況下，高增益、低噪聲的設備往往會變得非常不穩定。為了穩定設備同時滿足這些要求，必須采用多種穩定性設計技術。

　　為解決低工作頻率下的穩定性問題，通常在源極會采用一個電感。

　　用于輸入和噪聲系數匹配的源極反饋電感器也可以用來實現穩定性。常用的一種技術是使用串并行 LR 網絡。

　　這種網絡的作用是在低頻率時充當低阻抗，而在高頻率時充當高阻抗。

　　另一種常用的技術是從漏極到接地之間連接串并聯 CR網絡。這種網絡的作用是在高頻率時充當分流電阻，而在低頻率時充當高阻抗。接地的分流電阻有利于穩定設備。

　　還有一種用來改善穩定性的方法，那便是在設備的輸出和輸入之間使用并聯反饋。不過這種方法會降低噪聲系數。因此，它通常用在第二級（緩沖）設計中，而不用于第一級設計。這種反饋也有利于 IP3、回波損耗（RL）和增益調整。

　　穩定電路集成于共源共柵 LNA 中。SKY67100 和SKY67101 最終的仿真穩定性和測量穩定性結果如圖 16 和 17 所示。

　　3.5 靜電釋放因素

　　靜電釋放（ESD）指的是處于不同靜電位的物體或表面之間發生的靜電轉移，它對半導體器件具有極大的破壞性。ESD 必須在產品開發的早期階段予以解決。設計中使用功率鉗制、二極管和疊接二極管 ESD 保護電路在所有引腳組合間獲得 1A 級（>250 V）的 HBM 額定值。

　　設計方案中的其它部件也使用 ESD 保護電路，但需要特別注意確保不會降低小信號、大信號和噪聲系數性能。

　　4 布線

　　SKY67100/SKY67101 應用測試板布線的設計旨在盡可能獲得最低噪聲系數和最佳穩定性。測試板為在 50 mil厚的 FR4 基底上疊加 10 mil 厚的 Rogers 4350B 基板。RF 電路中選擇使用 Rogers 4350B 材料，是由于它具有介電常數（εr）低、介電常數不易受隨溫度變化的影響等特點，能實現最佳的噪聲性能。成本相對較低的FR4 材料則用于承載其余壓層，并提高機械剛度和厚度。微帶線寬度和空間設計能夠接受常用的 0402 尺寸的表面安裝元件，同時維持統一的 50 Ω。覆銅厚度為1.4 mil，可減少電路損耗及其對噪聲系數的累加效應。

　　5 元件選擇

　　圖9 顯示的是測試板原理圖。輸入元件 C1、C2 和 L1決定了設備的輸入匹配和噪聲系數。為獲得最佳的噪聲系數，推薦使用高 Q 值元件。

　　如果需要增益調整，元件 R2 和 C4 可構成設備的反饋電路。

　　輸出匹配通過元件 L2 和 C5 實現。

　　L2 還在偏置電路中用來對元件 C6、C7 和 C8 去耦合。

　　通過微調輸出匹配，可以優化線性度。

　　6 仿真和測量結果比較

　　圖10 和11 描述了 SKY67100-396LF（1.9 GHz）和SKY67101-396LF（0.9 GHz）隨寬帶頻率范圍變化得到的測量和仿真增益曲線圖。SKY67101 在 0.9 GHz 的增益為 18.2 dB，SKY67100 在 1.9 GHz 的增益為 17.67dB。

　　圖12 描述了 SKY67101 設備的輸入和輸出回波損耗。

　　0.9 GHz 測得的輸入和輸出回波損耗均高于 20 dB

　　圖13 描述了 SKY67100 設備的輸入和輸出回波損耗。

　　圖14 和15 顯示了帶內 OIP3 和 P1dB 性能。SKY67101的 OIP3 測量值在 900 +/- 5 MHz 獲得，而 SKY67100在 1950 +/- 5 MHz 獲得。

　　圖16 和17 展示了 SKY67101 和 SKY67100 各自的NF 性能測量值和仿真值對比?？紤]到輸入接頭和連接至第一個匹配元件的*估板傳輸線所造成的損耗，我們對 SKY67101 應用了0.05 dB 的校正系數，并對 SKY67100 應用了0.1 dB 的校正系數。

　　圖18 和19 描述了SKY67101 和SKY67100 各自的穩定性性能測量值和仿真值。兩個設備隨帶寬范圍變化所顯示的無條件穩定性均為 B > 0，Rollet 穩定性系數K >1。

　　7 結論

　　本文展示的是兩個低噪聲、高線性度放大器產品SKY67100 和 SKY67101 的設計方案。這些 LNA 均采用共源共柵拓撲結構的增強型 pHEMT 器件實現，適用于各種無線基礎架構產品的接收器應用。它們都采用小型、低成本的2x2毫米 QFN 封裝并使用通用的引腳和布線設計。