讓特殊工藝在 5G LNA 中發(fā)揮最大效用

隨著 5G 無線網(wǎng)絡不斷發(fā)展，無線電前端的性能在射頻接收器信號路徑中扮演著越來越關鍵的角色，對于低噪聲放大器 (LNA) 尤其如此。隨著適用于 LNA 的新型工藝技術（例如硅鍺 (SiGe)、砷化鎵 (GaAs) 和絕緣硅片 (SOI)）的出現(xiàn)，設計人員必須重新評估 LNA 參數(shù)（例如噪聲、靈敏度、帶寬和功率）的性能權衡，以便有效地使用這些工藝技術。

前端的重要性無論怎樣強調(diào)都不過分，因為它在很大程度上決定了系統(tǒng)在弱信號情況下的最終性能以及可實現(xiàn)的誤碼率。如果 LNA 的性能不合要求，為滿足 5G 性能要求而在電路和接收通道管理方面做出的其余設計努力都將收效甚微。

本文將討論 5G 的現(xiàn)狀及其對 LNA 性能的要求。隨后，本文將介紹采用最新工藝并有助于滿足這些要求的解決方案，以及如何充分利用這些解決方案。

5G 現(xiàn)狀簡述

任重道遠，但已邁出堅實的步伐：盡管 5G 的規(guī)格已經(jīng)最終敲定，但仍在逐步完善中。5G 很多令人向往的特性尚待定奪，還需要更多的會議探討和現(xiàn)場試驗，并征求元器件供應商和無線運營商的意見。

不過，一些問題已經(jīng)昭然若揭：5G 設計將會占用新的電磁波譜塊，但一些初始實施仍將低于 6 千兆赫 (GHz)。大多數(shù) 5G 系統(tǒng)將在毫米波頻帶運行，在美國可使用 27 到 28 GHz 和 37 到 40 GHz 頻帶。一些初步分配的頻帶甚至高于 50 GHz。由于存在技術挑戰(zhàn)，第一批毫米波實施將使用 27 到 28 GHz 頻帶。

LNA 的具體作用

盡管 5G 規(guī)格提供了很多調(diào)制、功率、數(shù)據(jù)速率選項及其他一些功能，但通常它們大多與接收通道 LNA 關系不大。此元器件必須勝任一項任務，即捕獲并放大來自天線且被噪聲破壞的微弱信號，同時盡量減少增加的噪聲。因此，仔細研究 LNA 本身，而不是過度關注持續(xù)演化的更高層面的規(guī)格問題，才是明智之舉。

要在指定頻帶內(nèi)實現(xiàn)可接受的運行，主要的 LNA 規(guī)格是噪聲系數(shù) (NF)，即由 LNA 增加的固有噪聲量。對于 5G，尤其是接近 28 GHz 頻帶時，NF 通常需要介于 1 到 3 dB 之間，某些情況下，再高 1 到 2 dB 的噪聲也是可以接受的。（請參閱“我知道噪聲系數(shù)，但噪聲怎么會有“溫度”呢？”，了解關于一些更常見的噪聲系數(shù)的深入討論。）通常需要介于 15 到 20 dB 之間的增益，才能將收到的信號升壓到可被后續(xù)的放大器、濾波器和數(shù)字化正確處理的范圍。

最后，1 dB 輸出壓縮點（被稱為 OP1 或 P1dB）和輸出三階交調(diào)點(OIP3) 的線性度相關系數(shù)分別需要至少為 -20 和 -35 dBm。在更低的 5G 頻帶，對于 OP1 和 OIP3 的這些要求則不那么嚴格，其中 OP1 為 -20 dBm 范圍內(nèi)，OIP3 為 -10 到 -15 dBm。請注意，負值越大，表示性能越高（-25 dBm 要優(yōu)于 -20 dBm），但很多規(guī)格書會省略負號，這樣會造成混淆。

從功能上看，LNA 只是很“簡單”的放大器，具有非?；镜目驁D - 通常只是一個放大器三角形 - 而且只需要幾條封裝引線（通常是 6 到 8 條）。這種簡化設計的結果是，它們的封裝很小，每側的尺寸約為 1 到 2 毫米，很多封裝的尺寸甚至更小。

新工藝推動 LNA 向 5G 應用邁進

許多高性能 LNA 專為幾 GHz 的低頻率（例如 2.4 GHz 和 5 GHz 頻帶）量身定制，但它們不符合 5G 前端的嚴格要求。由于硅基 LNA 似乎已經(jīng)達到它們的性能極限，因此各廠商紛紛使用更新的半導體材料和工藝來滿足多種 5G 性能規(guī)格的嚴格要求。即使在較低的 5G 頻帶，標準硅也不具備足以滿足 5G 要求的低噪聲系數(shù)和高 OP1/OIP3 等級，因為它的發(fā)送和接收信號電平要低于現(xiàn)有的無線標準。

由于這些原因，供應商在基于 SiGe、SOI 和砷化鎵 (GaAs) 材料的新工藝的研發(fā)和量產(chǎn)方面投入巨資，因為這些新工藝可提供更高的電子遷移率、更小的幾何尺寸和更少的泄漏。

例如，Infineon Technologies的 BGA8U1BN6LNA 采用 SiGe 工藝，噪聲系數(shù)僅為 1.6 dB，其 OP1 介于 18 到 22 dBm 之間，OIP3 介于 10 到 15 dBm 之間。它在 4 到 6 GHz 的頻帶運行，增益為 13.7 dB。

此外，BGA8U1BN6 還提供了省電功能，激活此功能后，它可以進入旁通模式，只需要將輸入信號傳遞到輸出便可，插入損耗僅為 7.5 dB（圖 1）。當接收的信號強度較高時，此功能非常有用，因為它既能防止下一級過載，還能將 2.8 伏電源的 LNA 供電電流從大約 20 毫安 (mA) 減小至大約 100 微安 (μA)，實現(xiàn)大幅的能耗節(jié)省。

圖 1：Infineon Technologies 的 SiGe BGA8U1BN6 LNA 包含旁通模式，此模式將 LNA 從信號路徑中剔除；這樣既減小了增益，防止后續(xù)各級出現(xiàn)過載和飽和，同時還降低了電流要求。（圖片來源：Infineon Technologies）

Skyworks Solutions的SKY65806-636LF也提供了旁通模式，是適用于 3400 到 3800 MHz 頻帶的 SOI LNA。它的增益與 Infineon 器件的增益相似，約為 13.6 dB，但噪聲系數(shù)僅為 1.2 dB。電源電壓范圍為 1.6 到 3.3 伏，工作電流僅為 3.85 mA。與 Infineon 的 LNA 一樣，這個電阻為 50 Ω 的 LNA 包含用戶控制的旁通功能。

Analog Devices推出的ADL5724 LNA也采用了 SiGe 工藝，可在 12.7 GHz 到 15.4 GHz 的頻帶運行（圖 2）。其 100 Ω 平衡差分輸出非常適合驅(qū)動差分下變頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。典型增益大于 23.7 dB，典型噪聲系數(shù)在頻率為 12.7 GHz 和 15.4 GHz 時分別為 2.1 dB 和 2.4 dB。

圖 2：Analog Devices 的 SiGe ADL5724 提供平衡差分輸出，此輸出可支持在該器件與下一級信號鏈之間實現(xiàn)增強的信號完整性。（圖片來源：Analog Devices）

鑒于很多 LNA 通常不會部署到穩(wěn)定的溫度環(huán)境中，因此 ADL5724 規(guī)格書附上了關鍵性能系數(shù)與溫度的關系圖（圖 3）。

圖 3：如圖所示為 -40?C、+25?C 和 +85?C 溫度下的 (a) 增益和 (b) 噪聲系數(shù)與頻率的關系圖，可見 LNA 的性能取決于溫度。請注意在噪聲系數(shù)隨著溫度的升高而增大時，增益是如何減小的。（圖片來源：Analog Devices）

對于 ADL5724，增益會隨著溫度的升高而稍稍減小，噪聲系數(shù)則會隨著溫度的升高而增大。這是 LNA 的典型表現(xiàn)，與工藝無關。設計人員需要在最壞情況建模和信號鏈性能模擬中考慮到這些變化。

為實現(xiàn)高動態(tài)范圍和低噪聲，MACOM Technology Solutions Holdings(MACOM) 推出了MAAL-011078，這是一種具有高動態(tài)范圍和超低噪聲系數(shù)的 GaAs 單級 LNA，其 2.6 GHz 頻率下的噪聲系數(shù)僅為 0.5 dB。它還提供了 22 dB 的增益以及 33 dBm (OIP3) 和 17.5 dBm (P1dB) 的高線性度。這款 IC 涵蓋了 700 MHz 到 6 GHz 頻帶，還具有一項額外特性：集成式有源偏置電路，因此用戶可通過外部電阻器設置自己的偏置（工作點）電流。這樣，用戶就能定制功耗以滿足應用需求。例如，針對較低的工作電流選擇較低的性能（圖 4）。

圖 4：用戶可利用 MACOM 的 MAAL-011078，通過外部電阻器來設置 LNA 偏置電流和工作點，藉由減小工作電流實現(xiàn) OIP3 相對頻率的變化（左側）和 P1dB 性能相對頻率的下降（右側）。（圖片來源： MACOM）

讓 5G LNA 發(fā)揮最大效用

在為 5G 選擇合適的 LNA 之后，要實施 5G 前端設計，還需要考慮一些注意事項和通融措施，以便讓 LNA 發(fā)揮最大效用。隨著工作頻率跨越 5 GHz、10 GHz，除了 LNA 自身之外，還需要考慮五個重要因素。

1：選擇 PC 板材料- 在千兆赫范圍內(nèi)，LNA 輸入和輸出的傳輸線路損耗是一個重要因素。在輸入端尤其如此，因為輸入端的傳輸線路損耗會降低可實現(xiàn)的最大信噪比，還會增大 LNA 的輸出噪聲。由于大多數(shù)設計中的傳輸線路都是作為帶狀線制作到 PC 板本身，因此電路板必須由低損耗的介電材料制成。

僅僅使用通用的 FR4 PCB 層壓板不足以保證這一點，因此供應商提供了多種替代材料和層壓材料。其中一種廣泛使用的電路板是在 FR4 核心上放置一種特殊的層壓材料，使傳輸線路具有穩(wěn)定的損耗系數(shù)，并具有 FR4 加強板的基本強度。

請記住，在這些頻率下，必須將 PC 板視為電路設計中的另一個無源“元器件”，具有所有其他無源元器件一樣的寄生效應。此外，還必須考慮一些細節(jié)問題，例如電路板主要特征的溫度系數(shù)及其寄生效應。高性能 PC 板材料的供應商會提供這些數(shù)據(jù)。

2：選擇電容器– 對于輸入和輸出匹配電路，必須使用高 Q 值電容器，以降低流入和流出 LNA 的噪聲系數(shù)。低 Q 值元器件會導致噪聲系數(shù)降級 0.2 dB 到 1 dB 不等。廣泛使用的 NPO 電容器具有較低的 Q 值和較高的損耗，因此應避免使用。陶瓷電容器具有最高 Q 值，但它們價格昂貴。依靠性能和成本分析，可以找到一種滿意的折中方案。

3：電源旁路 -這一點雖然眾所周知，但經(jīng)常被忽視，因此值得再三強調(diào)。必須細致、周到地在 IC 和其他位置實現(xiàn)直流電源旁路，以確保穩(wěn)定、一致的高頻性能。所選的旁路電容器在所需的頻率下應具有最低阻抗，以實現(xiàn)最高的去耦性能。

例如，要進行高頻去耦，1000 皮法 (pF) 的電容器并不是一個合適的選擇。在 5 GHz 頻率下，1000 pF 電容器的自諧振頻率會讓它看起來像個電感器，因此實際上可能與去耦的目的背道而馳。相反，應在靠近 LNA 的位置放置一個具有較小電容（通常小于 10 pF）的電容器。此外，設計中還應包含采用 1000 pF 與 0.01 μF 電容器并聯(lián)組合的傳統(tǒng)低頻去耦功能。這些電容器不需要置于 LNA 的附近。

4：輸入和輸出匹配- 盡管很多 LNA 的輸入和輸出具有 50 Ω 的阻抗，但有些 LNA 并非如此。即使它們具有 50 Ω 的阻抗，驅(qū)動 LNA 的電路和 LNA 輸出所驅(qū)動的電路也可能不具備 50 Ω 的阻抗。因此，必須使用史密斯圓圖創(chuàng)建匹配的電路，并使用 S 參數(shù)確立適當?shù)钠ヅ溥x項。同樣，在 5G 頻率下使用的無功無源元器件（電感器和電容器）會不可避免地產(chǎn)生各種類型的寄生效應：內(nèi)部、附近的元器件上以及 PC 板上。

設計人員應當做到三點：選擇為在這些頻率下抑制寄生效應而設計的匹配元器件；確保在貼裝元器件時將不可避免的寄生效應充分特征化；以及使用這些值對匹配電路進行建模并據(jù)此調(diào)整標稱值。

5：電纜互連 -有些 5G 系統(tǒng)需要在 PC 板及其帶狀線傳輸線路之外進行互連，因此需要使用物理電纜。如果使用了差分接口（通常采用這種方法保持電路平衡和提高噪聲抗擾度），這些電纜互連可能需要使用時延匹配電纜對，而且兩根電纜最好具有相同的傳播特征。

因此，用于 5G 到 40 GHz 及更高頻率的高性能電纜往往可將其延遲匹配至 1 psec（微微秒）。它們成對出售和使用，而且因為無法單獨安裝或更換，兩根物理電纜都帶有“箍帶”，使其始終保持配對狀態(tài)。利用這些電纜，差分電路可以在驅(qū)動下一級信號鏈時實現(xiàn)高端 LNA 的性能。

結論

5G 無線標準正在將工作頻率推向更高水平，進入多 GHz 和數(shù)十 GHz 范圍。它還要求模擬電路（尤其是低噪聲放大器）具備更低的噪聲/更低的失真性能。SiGe、SOI 和 GaAs 等新型 IC 工藝技術可以滿足這些需求。但如果不重視射頻在這些更高頻率下遭遇的現(xiàn)實，優(yōu)質(zhì) LNA 的性能將無從談起。