隨著 5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，無(wú)線電前端的性能在射頻接收器信號(hào)路徑中扮演著越來(lái)越關(guān)鍵的角色，對(duì)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(shù)(例如硅鍺 (SiGe)、砷化鎵 (GaAs) 和絕緣硅片 (SOI))的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員必須重新評(píng)估 LNA 參數(shù)(例如噪聲、靈敏度、帶寬和功率)的性能權(quán)衡，以便有效地使用這些工藝技術(shù)。

前端的重要性無(wú)論怎樣強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬蠜Q定了系統(tǒng)在弱信號(hào)情況下的最終性能以及可實(shí)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(shè)計(jì)努力都將收效甚微。

本文將討論 5G 的現(xiàn)狀及其對(duì) 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(jiǎn)述

任重道遠(yuǎn)，但已邁出堅(jiān)實(shí)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(huì)議探討和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并征求元器件供應(yīng)商和無(wú)線運(yùn)營(yíng)商的意見(jiàn)。

不過(guò)，一些問(wèn)題已經(jīng)昭然若揭：5G 設(shè)計(jì)將會(huì)占用新的電磁波譜塊，但一些初始實(shí)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(yùn)行，在美國(guó)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(shù)挑戰(zhàn)，第一批毫米波實(shí)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(xiàng)及其他一些功能，但通常它們大多與接收通道 LNA 關(guān)系不大。此元器件必須勝任一項(xiàng)任務(wù)，即捕獲并放大來(lái)自天線且被噪聲破壞的微弱信號(hào)，同時(shí)盡量減少增加的噪聲。因此，仔細(xì)研究 LNA 本身，而不是過(guò)度關(guān)注持續(xù)演化的更高層面的規(guī)格問(wèn)題，才是明智之舉。

要在指定頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)可接受的運(yùn)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(duì)于 5G，尤其是接近 28 GHz 頻帶時(shí)，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。通常需要介于 15 到 20 dB 之間的增益，才能將收到的信號(hào)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(diǎn)(被稱為 OP1 或 P1dB)和輸出三階交調(diào)點(diǎn) (OIP3) 的線性度相關(guān)系數(shù)分別需要至少為 -20 和 -35 dBm。在更低的 5G 頻帶，對(duì)于 OP1 和 OIP3 的這些要求則不那么嚴(yán)格，其中 OP1 為 -20 dBm 范圍內(nèi)，OIP3 為 -10 到 -15 dBm。請(qǐng)注意，負(fù)值越大，表示性能越高(-25 dBm 要優(yōu)于 -20 dBm)，但很多規(guī)格書(shū)會(huì)省略負(fù)號(hào)，這樣會(huì)造成混淆。

從功能上看，LNA 只是很“簡(jiǎn)單”的放大器，具有非?；镜目驁D - 通常只是一個(gè)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)的結(jié)果是，它們的封裝很小，每側(cè)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(dòng) LNA 向 5G 應(yīng)用邁進(jìn)

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(yán)格要求。由于硅基 LNA 似乎已經(jīng)達(dá)到它們的性能極限，因此各廠商紛紛使用更新的半導(dǎo)體材料和工藝來(lái)滿足多種 5G 性能規(guī)格的嚴(yán)格要求。即使在較低的 5G 頻帶，標(biāo)準(zhǔn)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(jí)，因?yàn)樗陌l(fā)送和接收信號(hào)電平要低于現(xiàn)有的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。

由于這些原因，供應(yīng)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?yàn)檫@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 BGA8U1BN6 LNA 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(yùn)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(jìn)入旁通模式，只需要將輸入信號(hào)傳遞到輸出便可，插入損耗僅為 7.5 dB(圖 1)。當(dāng)接收的信號(hào)強(qiáng)度較高時(shí)，此功能非常有用，因?yàn)樗饶芊乐瓜乱患?jí)過(guò)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 (?A)，實(shí)現(xiàn)大幅的能耗節(jié)省。

Infineon Technologies 的 SiGe BGA8U1BN6 LNA 包含旁通模式，此模式將 LNA 從信號(hào)路徑中剔除;這樣既減小了增益，防止后續(xù)各級(jí)出現(xiàn)過(guò)載和飽和，同時(shí)還降低了電流要求。(圖片：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(gè)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(yùn)行(圖 2)。其 100 Ω 平衡差分輸出非常適合驅(qū)動(dòng)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(shí)分別為 2.1 dB 和 2.4 dB。

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(jí)信號(hào)鏈之間實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的信號(hào)完整性。(圖片：Analog Devices)

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

-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(guān)系圖，可見(jiàn) LNA 的性能取決于溫度。請(qǐng)注意在噪聲系數(shù)隨著溫度的升高而增大時(shí)，增益是如何減小的。(圖片：Analog Devices)

對(duì)于 ADL5724，增益會(huì)隨著溫度的升高而稍稍減小，噪聲系數(shù)則會(huì)隨著溫度的升高而增大。這是 LNA 的典型表現(xiàn)，與工藝無(wú)關(guān)。設(shè)計(jì)人員需要在最壞情況建模和信號(hào)鏈性能模擬中考慮到這些變化。

為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍和超低噪聲系數(shù)的 GaAs 單級(jí) 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(xiàng)額外特性：集成式有源偏置電路，因此用戶可通過(guò)外部電阻器設(shè)置自己的偏置(工作點(diǎn))電流。這樣，用戶就能定制功耗以滿足應(yīng)用需求。例如，針對(duì)較低的工作電流選擇較低的性能(圖 4)。

用戶可利用 MACOM 的 MAAL-011078，通過(guò)外部電阻器來(lái)設(shè)置 LNA 偏置電流和工作點(diǎn)，藉由減小工作電流實(shí)現(xiàn) OIP3 相對(duì)頻率的變化(左側(cè))和 P1dB 性能相對(duì)頻率的下降(右側(cè))。(圖片： MACOM)

讓 5G LNA 發(fā)揮最大效用

在為 5G 選擇合適的 LNA 之后，要實(shí)施 5G 前端設(shè)計(jì)，還需要考慮一些注意事項(xiàng)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(gè)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(gè)重要因素。在輸入端尤其如此，因?yàn)檩斎攵说膫鬏斁€路損耗會(huì)降低可實(shí)現(xiàn)的最大信噪比，還會(huì)增大 LNA 的輸出噪聲。由于大多數(shù)設(shè)計(jì)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(diǎn)，因此供應(yīng)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(qiáng)板的基本強(qiáng)度。

請(qǐng)記住，在這些頻率下，必須將 PC 板視為電路設(shè)計(jì)中的另一個(gè)無(wú)源“元器件”，具有所有其他無(wú)源元器件一樣的寄生效應(yīng)。此外，還必須考慮一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，例如電路板主要特征的溫度系數(shù)及其寄生效應(yīng)。高性能 PC 板材料的供應(yīng)商會(huì)提供這些數(shù)據(jù)。

2：選擇電容器 – 對(duì)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(huì)導(dǎo)致噪聲系數(shù)降級(jí) 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(yīng)避免使用。陶瓷電容器具有最高 Q 值，但它們價(jià)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(diǎn)雖然眾所周知，但經(jīng)常被忽視，因此值得再三強(qiáng)調(diào)。必須細(xì)致、周到地在 IC 和其他位置實(shí)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(yīng)具有最低阻抗，以實(shí)現(xiàn)最高的去耦性能。

例如，要進(jìn)行高頻去耦，1000 皮法 (pF) 的電容器并不是一個(gè)合適的選擇。在 5 GHz 頻率下，1000 pF 電容器的自諧振頻率會(huì)讓它看起來(lái)像個(gè)電感器，因此實(shí)際上可能與去耦的目的背道而馳。相反，應(yīng)在靠近 LNA 的位置放置一個(gè)具有較小電容(通常小于 10 pF)的電容器。此外，設(shè)計(jì)中還應(yīng)包含采用 1000 pF 與 0.01 ?F 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(dòng) LNA 的電路和 LNA 輸出所驅(qū)動(dòng)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(dāng)?shù)钠ヅ溥x項(xiàng)。同樣，在 5G 頻率下使用的無(wú)功無(wú)源元器件(電感器和電容器)會(huì)不可避免地產(chǎn)生各種類型的寄生效應(yīng)：內(nèi)部、附近的元器件上以及 PC 板上。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)做到三點(diǎn)：選擇為在這些頻率下抑制寄生效應(yīng)而設(shè)計(jì)的匹配元器件;確保在貼裝元器件時(shí)將不可避免的寄生效應(yīng)充分特征化;以及使用這些值對(duì)匹配電路進(jìn)行建模并據(jù)此調(diào)整標(biāo)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(jìn)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(shí)延匹配電纜對(duì)，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(duì)出售和使用，而且因?yàn)闊o(wú)法單獨(dú)安裝或更換，兩根物理電纜都帶有“箍帶”，使其始終保持配對(duì)狀態(tài)。利用這些電纜，差分電路可以在驅(qū)動(dòng)下一級(jí)信號(hào)鏈時(shí)實(shí)現(xiàn)高端 LNA 的性能。

結(jié)論

5G 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)正在將工作頻率推向更高水平，進(jìn)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(shù)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(shí)，優(yōu)質(zhì) LNA 的性能將無(wú)從談起。