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清楚无线设计中功率和低噪声放大器的基本原理

对功能、微型化和更高频率运转的推进正在应战无线体系的两个要害天线衔接元器材的约束:功率扩大器 (PA) 和低噪声扩大器 (LNA)。使 5G 成为实际的努力,以及 PA 和 LNA 在 VSAT 端子、微波无线电链路和相控阵雷达体系中的运用促成了这种转变。

这些运用的要求包含较低噪声(关于 LNA)和较高能效(关于 PA)以及在高达或高于 10 GHz 的较高频率下的运转。为了满足这些日益增长的需求,LNA 和 PA 制造商正在从传统的全硅工艺转向用于 LNA 的砷化镓 (GaAs) 和用于 PA 的氮化镓 (GaN)。

本文将介绍 LNA 和 PA 的作用和要求及其主要特性,然后介绍典型的 GaAs 和 GaN 器材以及在利用这些器材进行规划时应紧记的事项。

LNA 的活络作用

LNA 的作用是从天线获取极端弱小的不确定信号,这些信号一般是微伏数量级的信号或许低于 -100 dBm,然后将该信号扩大至一个更有用的水平,一般约为 0.5 到 1 V(图 1)。具体来看,在 50 Ω 体系中 10 μV 为 -87 dBm,100 μV 等于 -67 dBm。

利用现代电子技能能够轻松完成这样的增益,但 LNA 在弱小的输入信号中加入各种噪声时,问题将远不是那么简略。LNA 的扩大优势会在这样的噪声中完全消失 

图 1: 接收途径的低噪声扩大器 (LNA) 和发送途径的功率扩大器 (PA) 经由双工器衔接到天线,双工器分隔两个信号,并避免相对强壮的 PA 输出使活络的 LNA 输入过载。(图片来历: Digi-Key Electronics)

留意,LNA 作业在一个充满未知的世界中。作为收发器通道的前端,LNA 有必要能捕捉并扩大相关带宽内功耗极低的低电压信号以及天线形成的相关随机噪声。在信号理论中,这种状况称作未知信号/未知噪声难题,是一切信号处理难题中最难的部分。

LNA 的主要参数是噪声系数 (NF)、增益和线性度。噪声来自热源及其它噪声源,噪声系数的典型值为 0.5 - 1.5 dB。单级扩大器的典型增益在 10 - 20 dB 之间。有一些规划选用在低增益、低 NF 级后加一个更高增益级的级联扩大器,这种规划或许达到较高的 NF,不过一旦初始信号现已“增大”,这样做就变得不那么重要。(有关 LNA、噪声和射频接收器的具体内容,请参阅 TechZone 中《低噪声扩大器能够最大极限地进步接收器的活络度》一文。)

LNA 的另一个问题是非线性度,因为合成谐波和互调失真可使接收到的信号质量恶化,在位误差率 (BER) 恰当低时使得信号解调和解码变得更加困难。一般用三阶交调点 (IP3) 作为线性度的特征化参数,将三阶非线性项引起的非线性乘积与以线性方法扩大的信号关联在一起;IP3 值越高,扩大器功能的线性度越好。

功耗和能效在 LNA 中一般不属于首要问题。就实质而言,绝大多数 LNA 是功耗恰当低且电流耗费在 10 - 100 mA 之间的器材,它们向下一级供给电压增益,但不会向负载运送功率。此外,体系中仅选用一个或许两个 LNA(后者常用于 Wi-Fi 和 5G 等接口的多功用天线规划中),因此经过低功耗 LNA 节能的含义不大。

除作业频率和带宽外,各种 LNA 相对来讲在功用上十分类似。一些 LNA 还具有增益操控功用,因此能够应对输入信号的宽动态规模,而不会呈现过载、饱满。在基站至手机通道损耗规模宽的移动运用中,输入信号强度改动规模如此之宽的状况会经常遇到,即使单衔接循环也是如此。

输入信号到 LNA 的路由以及来自其输出信号与元器材自身的标准相同重要。因此,规划人员有必要运用复杂的建模和布局东西来完成 LNA 的全部潜在功能。因为布局或阻抗匹配欠安,优质元器材或许容易劣化,因此务必要运用供货商供给的史密斯圆图(拜见“史密斯圆图: 射频规划中依旧至关重要的一个‘古老’图形东西”),以及支撑仿真和剖析软件的牢靠电路模型。

因为这些原因,几乎一切在 GHz 规模内作业的高功能 LNA 供货商均会供给评价板或经过验证的印刷电路板布局,因为测验设置的每个方面都至关重要,包含布局、衔接器、接地、旁路和电源。没有这些资源,规划人员就需求浪费时刻来评价元器材在其运用中的功能。

根据 GaAs 的 LNA 的一个代表是 HMC519LC4TR。这是一种来自 Analog Devices 的 18 到 31 GHz pHEMT(假晶高电子迁移率晶体管)器材(图 2)。这种无引线 4×4 mm 陶瓷外表贴装封装可供给 14 dB 的小信号增益,以及 3.5 dB 的低噪声系数和 + 23 dBm 的高 IP3。该器材可从单个 +3 V 电源提取 75 mA 电流。 

图 2: HMC519LC4TR GaAs LNA 为 18 至 31 GHz 的低电平输入供给低噪声增益;大多数封装衔接用于电源轨、接地或不运用。(图片来历: Analog Devices)

从简略的功用框图到具有不同值和类型的多个外部电容器都需求一个规划进程,供给恰当的射频旁路,在三个电源轨馈电上具有低寄生效应,指定为 Vdd(图 3)。 

图 3: 在实际运用中,HMC519LC4TR LNA 在其电源轨上需求多个额定电压相同的旁路电容器,以供给用于低频滤波的大电容以及用于射频旁路的较小值电容,然后最大程度地削减射频寄生效应。(图片来历: Analog Devices)

根据此增强原理图生成评价板,具体说明布局和 BOM,包含非 FR4 印刷电路板资料的运用(图 4(a) 和 4(b))。 

图 4: 考虑到这些 LNA 前端作业的高频率和它们有必要捕获的低电平信号,一个具体且经测验的评价规划至关重要。其间包含一份原理图(未显现)、电路板布局 (a) 和 BOM,及无源元器材和印刷电路板资料 (b) 的细节。(图片来历: Analog Devices)

MACOM MAAL-011111 是用于更高频率的 GaAs LNA,可支撑 22 至 38 GHz 运转(图 5)。该器材可供给 19 dB 的小信号增益和 2.5 dB 的噪声系数。此 LNA 外表上是一个单级器材,但其内部实际有三个级联级。榜首级针对最低噪声和中等增益进行了优化,后续级别供给额定增益。 

图 5: 对用户来说,MAAL-011111 LNA 外表上是一个单级扩大器,但其内部运用了一系列增益级,旨在最大化输入到输出信号途径 SNR,一起在输出端添加显著增益。(图片来历: MACOM)

与 Analog Devices 的 LNA 类似,MAAL-011111 只需求一个低压电源,且尺度仅为 3×3 mm,极为小巧。用户能够经过将偏置(电源)电压设置在 3.0 和 3.6 V 之间的不同值来调整和权衡某些功能标准。建议电路板布局显现坚持恰当的阻抗匹配和地平面功能所需的要害印刷电路板铜皮尺度(图 6)。 

图 6: 建议的布局,充沛利用了 MACOM 的 MAAL-011111,一起供给输入和输出阻抗匹配。留意,关于阻抗操控型传输线以及低阻抗地平面,运用印刷电路板铜皮(尺度以毫米为单位)。(图片来历: MACOM)

PA 驱动天线

与 LNA 困难的信号捕获应战相反,PA 则是从电路中获取相对强的信号,具有很高的 SNR,且有必要用来进步信号功率。与信号有关的一切通用系数均已知,如幅值、调制、波形、占空比等。这就是信号处理图中的已知信号/已知噪声象限,是最容易应对的。

PA 的主要参数为相关频率下的功率输出,其典型增益在 +10 至 +30 dB 之间。能效是 PA 参数中仅次于增益的又一要害参数,可是运用模型、调制、占空比、答应失真度以及受驱信号的其它方面会使任何能效评价变得复杂。PA 的能效在 30 到 80% 之间,但这在很大程度上是由多种因素决议的。线性度也是 PA 的要害参数,与在 LNA 相同用 IP3 值断定。

虽然许多 PA 选用低功耗 CMOS 技能(最高约 1 至 5 W),但在最近几年里,其它技能业已发展老练并被广泛运用,在考虑将能效作为电池续航时刻和散热的要害指标的更高功率水平的状况下,特别如此。在需求几个瓦特或更高功率的状况下,选用氮化镓 (GaN) 的 PA 在更高功率和频率(典型值为 1 GHz)下具有更优的能效。特别是考虑到能效和功率耗散时,GaN PA 极具成本竞争力。

Cree/Wolfspeed CGHV14800F(1200 到 1400 MHz,800 W 器材)是最新的一些根据 GaN 的 PA 代表。这种 HEMT PA 的能效、增益和带宽组合对脉冲 L 波段雷达扩大器进行了优化,使规划人员能够在空中流量管制 (ATC)、天气、反导和方针盯梢体系等运用中找到许多用途。运用 50 V 电源,供给 50% 及更高的典型能量转换效率,并选用 10 × 20 mm 陶瓷封装,带有用于冷却的金属法兰(图 7)。 

图 7: CGHV14800F 1200 至 1400 MHz,800 W,GaN PA 具有金属法兰的 10 × 20 mm 陶瓷封装有必要一起满足困难的射频和散热要求。出于机械和热完整性考虑,留意安装法兰时将封装旋紧(不焊接)到印刷电路板。(图片来历: Cree/Wolfspeed)

CGHV14800F 选用 50 V 电源供电,一般供给 14 dB 的功率增益,能量转换效率 > 65%。与 LNA 相同,评价电路和参阅规划至关重要(图 8)。 

图 8: 除了器材自身之外,为 CGHV14800F PA 供给的演示电路需求的元器材十分少,但物理布局和散热考虑很要害;考虑安装完整性和热方针,PA 经过封装法兰以螺钉和螺母(在底部,不可见)固定到板上。(图片来历: Cree/Wolfspeed)

许多标准表和功能曲线中同样重要的是功率耗散降额曲线(图 9)。该曲线显现了可用的功率输出额定值与外壳温度的关系,指示最大答应功率是恒定的 115°C,然后线性减小到 150°C 的最大额定值。 

图 9: 因为其在运送功率方面的作用,需求 PA 降额曲线向规划人员显现答应输出功率随着外壳温度的升高而下降。这里,额定功率在 115⁰C 之后敏捷下降。(图片来历: Cree/Wolfspeed)

MACOM 还供给了根据 GaN 的 PA,例如 NPT1007 GaN 晶体管(图 10)。其直流至 1200 MHz 的频率跨度适用于宽带和窄带射频运用。该器材一般以 14 到 28 V 之间的单电源作业,可在 900 MHz 供给 18 dB 的小信号增益。该规划旨在耐受 10:1 SWR(驻波比)不匹配,且不会发生器材退化。 

图 10: MACOM 的 NPT1007 GaN PA 跨越直流到 1200 MHz 的规模,适用于宽带和窄带射频运用。规划人员经过各种负载拉伸图取得额定支撑。(图片来历: MACOM)

除了显现 500、900和 1200 MHz 时功能根底的图外,NPT1007 还支撑各种“负载拉伸”图,为努力保证稳定产品(图 11)的电路和体系规划人员供给帮助。 负载拉伸测验运用成对信号源和信号剖析仪(频谱剖析仪、功率计或矢量接收器)完成。

该测验要求看到被测设备 (DUT) 的阻抗改动,以评价 PA 的功能(包含比如输出功率、增益和能效等因素),因为一切相关的元器材值或许因为温度改动或因为围绕其标称值的公差带内的改动而改动。 

图 11: NPT1007 PA 的负载拉伸图超出了最小/最大/典型标准标准表,以在其负载阻抗违背其标称值(初始出产公差以及热漂移会导致实际运用中呈现这种状况)时显现 PA 功能。(图片来历: MACOM)

无论运用哪种 PA 工艺,器材的输出阻抗均有必要由供货商进行充沛特征化,使规划人员能将该器材与天线正确匹配,完成最大的功率传输并尽或许坚持 SWR 一致。匹配电路主要由电容器和电感器构成,而且可完成为分立器材,或许制造为印刷电路板乃至产品封装的一部分。其规划还有必要维持 PA 功率水平。再次重申,史密斯圆图等东西的运用,是理解并进行必要的阻抗匹配的要害。

鉴于 PA 较小的芯片尺度和较高的功率水平,封装对 PA 来讲是一个要害问题。如前所述,许多 PA 经过宽的散热封装引线和法兰支撑以及封装下的散热片散热,作为到印刷电路板铜皮的途径。在较高功率水平(约高于 5 至 10 W),PA 能够有铜帽,使散热器能够安装在顶部,而且或许需求风扇或其它先进的冷却技能。

GaN PA 相关的额定功率和小尺度意味着对热环境建模至关重要。当然,将 PA 自身坚持在答应的状况或结温规模内是不行的。从 PA 散去的热量不能给电路和体系其它部分带来问题。有必要考虑处理和解决整个热途径。

总结

从智能手机到 VSAT 端子和相控阵雷达体系等根据射频的体系正在推进 LNA 和 PA 功能的极限。这使得器材制造商不再局限于硅,而是探究 GaAs 和 GaN 以供给所需的功能。

这些新的工艺技能为规划人员供给了带宽更宽、封装更小、能效更高的器材。不过,规划人员需求了解 LNA 和 PA 运转的根底知识,才干有效地运用这些新技能。

 

 

 

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