AN289 面向5-6 GHz无线局域网设备、采用可减少组件数量的 BFP840FESD的低噪放大器

BFP840FESD
面 向 5-6 GHz 无 线 局 域 网 设 备 、 采 用 可 减 少 组 件 数 量 的
BFP840FESD的低噪放大器
应用笔记AN289
版本2.0,2012年11月9日修订
射频与保护器件
2012年11月9日
英飞凌科技股份公司发行
地址:81726 Munich, Germany
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BFP840FESD
Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
应用笔记 AN289
修订记录:2012 年 11 月 9 日
以前的版本:版本 1.0
页码
8, 10 – 16
9
主题(上次修订后的主要变更)
修改测量结果
修改电路和物料清单
英飞凌科技股份公司的商标
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EconoDUAL™ 、 EconoPIM™ 、 EconoPACK™ 、 EiceDRIVER™ 、 eupec™ 、 FCOS™ 、 HITFET™ 、
HybridPACK™、 I²RF™、ISOFACE™、IsoPACK™、MIPAQ™、ModSTACK™、my-d™、NovalithIC™、
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其他商标
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AUTOSAR开发合作伙伴组织的许可;布鲁特斯SIG公司的Bluetooth™;DECT论坛的CAT-iq™;美国天
宝导航有限公司的COLOSSUS™和FirstGPS™;EMVCo, LLC(Visa控股公司)的EMV™ ;埃普科斯股
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准化组织的ISO™;MathWorks公司的MATLAB™;美信集成产品公司的MAXIM™;明导国际公司的
NUCLEUS™和MICROTEC™;NXP的 Mifare™;MIPI 联盟公司的MIPI™;美国MIPS 科技公司的
MIPS™ ;株式会社村田制作所的muRata™;豪威科技公司的OmniVision™;Openwave Systems公司
的Openwave™;Red Hat公司的RED HAT™ ;RF Micro Devices 公司的RFMD™;Sirius Sattelite
Radio 公司的SIRIUS™; 太阳微系统公司的SOLARIS™;Spansion LLC 有限公司的SPANSION™;
Symbian 软件有限公司的Symbian™;太阳诱电的TAIYO YUDEN™;CEVA公司的TEAKLITE™ ; 泰克
公司的TEKTRONIX™;TOKO KABUSHIKI KAISHA TA 的TOKO™ ;X/Open 国际联盟有限公司的
UNIX™;Cadence Design Systems 公司的VERILOG™和PALLADIUM™ ;德州仪器公司的 VLYNQ™
;美国风河系统公司的VXWORKS™和WIND RIVER™;Diodes Zetex有限公司的 ZETEX™。
上次商标信息更新时间:2011年11月11日
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BFP840FESD
Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
List of Content, Figures and Tables
目录
1. 简介................................................................................................................................................................. 5
2. 面向 5-6 GHz 无线局域网、采用可减少组件数量的 BFP840FESD 的低噪放大器 ................................... 7
3. 概述................................................................................................................................................................. 8
4. 实测结果汇总 ................................................................................................................................................. 8
5 原理图 .............................................................................................................................................................. 9
6. 实测图表 ........................................................................................................................................................10
7. 评估板和版图 ................................................................................................................................................17
8. 作者................................................................................................................................................................19
9. 备注................................................................................................................................................................19
图目录
图 1 5 – 6 GHz Wi-Fi®无线 LAN(WLAN,IEEE802.11a/n)和 WiMAX(IEEE802.16e)前端 ...................... 5
图 2 应用电路的示意图............................................................................................................................... 9
图 3 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的插入功率增益 .........................10
图 4 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的宽带插入功率增益..................10
图 5 采用 BFP840FESD、适用于 5100 - 5900 MHz 频段的低噪放大器的噪声系数 ...................................11
图 6 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的反向隔离度.......................11
图 7 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的输入匹配 .................................12
图 8 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的输入匹配(史密斯圆图) ......12
图 9 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的输出匹配 .................................13
图 10 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的输出匹配(史密斯圆图) ....13
图 11 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的宽带稳定性系数 k .................14
图 12 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的宽带稳定性系数 Mu .............14
图 13 频率为 5500 MHz 时 BFP840FESD 电路的输入 1dB 压缩点..............................................................15
图 14 频率为 5500 MHz 时 BFP840FESD 的输出三阶截点 .........................................................................15
图 15 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的关机模式(Vcc = 0V、Icc =
0mA)S21............................................................................................................................................16
图 16 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的评估板 ...................................17
图 17 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的评估板放大图片....................17
图 18 面向 5-6 GHz 无线局域网、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的射频接地版图 ...............................18
图 19 PCB 层................................................................................................................................................18
表目录
表 1 实测结果汇总 ...................................................................................................................................... 8
表 2 物料清单 .............................................................................................................................................. 9
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Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
Introduction
1. 简介
1.1 Wi-Fi®
无线保真(Wi-Fi®)技术在当今的通信行业扮演着重要角色。它可以支持 2.4GHz 和 5GHz 两个频段,为
进入固定接入点或公共热点覆盖范围的笔记本电脑或者配备无线网卡的设备提供宽带上网服务。能够无
线传输高品质多媒体信号的家庭娱乐系统、家庭联网笔记本、海量数据存储器和打印机等众多产品,在
系统中集成了 5-6 GHz Wi-Fi®功能,以支持高速无线上网。
随着扩大无线局域网覆盖范围的需求不断增长,尤其是当 IEEE 802.11ac 超高吞吐量无线网络规范要求
使用高阶调制方案——比如 256 阶正交调幅(QAM)——时,接入点和终端的新信噪比(SNR)要求变
得更加严格。要想满足这些高速无线通信标准的要求,关键是确保链路通道的品质。必须要满足的主要
设备性能指标包括:灵敏度、信号强度和干扰抑制等。下面是 WLAN 系统的一般应用示意图。
WLAN/WiMAX:
4.9 – 5.9 GHz
BPF
单刀双
掷开关
LNA
WLAN/ WiMAX
功率检测器
收发机集成电路
静电放电
保护二极管
BPF
PA
图 1 5 – 6 GHz Wi-Fi®无线 LAN(WLAN,IEEE802.11a/n)和 WiMAX(IEEE802.16e)前端
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Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
Introduction
要提高系统灵敏度,必须在接收机前面贴装一个性能优异的低噪放大器,在信号强度极弱的环境中以及
考虑到单刀双掷开关和带通滤波器(BPF)或双工器的插入损耗时更是如此。通常可允许的大约 2 dB 的
接收机链路噪声系数,只能通过利用高增益低噪放大器实现。
此外,如果设备与发射机相邻,就会存在强信号环境。在这种情况下,低噪放大器必须具有足够的线性度,即
拥有较高的 1dB 压缩点。这样可以避免放大器饱和、增益降低或噪声系数增大。
本应用笔记主要介绍低噪放大器模块,但英飞凌还提供适用于静电保护的射频开关和 TVS 二极管,以及适用于
功率检测的射频肖特基势垒二极管。
1.2 器件概述:BFP840FESD
BFP840FESD 是一种专门为面向 Wi-Fi 上网应用的高效 5 GHz 频段低噪放大器解决方案打造的异质结双
极晶体管(HBT)分立器件。它采用了 80 GHz fT 硅锗:碳(SiGe:C)B9HFM 制程技术以及特殊的几何
结构设计,可以降低导致高频特性变差的基板和晶体管之间的寄生电容,从而实现内在的输入匹配,大
幅提高 5 GHz 频段的功能增益,并实现行业最佳的低噪声系数性能。
BFP840FESD 集成了 1.5kV 人体模型静电保护器,具有很强的抗静电放电和极端射频输入功率的能力。该器件
的工作电流和电压低,特别适合对能效提出较高要求的便携式电池供电设备。
BFP840FESD 采用带扁平引线的 TSFP-4-1 封装。英飞凌还提供采用符合行业标准的带可见引线的 SOT343 封装的
器件(BFP840ESD),以及采用特别适合模块的 0.31mm 轻量级 TSLP-3-9 封装的器件(BFR840L3RHESD)。
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Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
Low Parts Count Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with BFP840FESD
2. 面向 5-6 GHz 无线局域网、采用可减少组件数量的 BFP840FESD 的低噪放大器
本应用笔记提供了面向 5100 MHz-5900 MHz 无线局域网应用、采用 BFP840FESD 的低噪放大器实测结果。图 2
所示的电路原理图不需要任何外部输入匹配元件。
它是一款仅需 8 个 0402 无源 SMD 组件的解决方案。它在工作频段可提供 17.4 dB-18.4 dB 的增益,比 BFP740F
(AN168)高 2 dB 左右。它在工作频段的噪声系数从 1.0 dB 到 1.05 dB 不等(已减掉 SMA 和 PCB 损耗)。
电路输入和输出回波损耗是 10 dB,并且在 10 MHz-15 GHz 频段可以实现无条件稳定。但要让 11 GHz
以上的稳定性系数 k 大于 1,必须确保电路板射频正确接地。
工作频率为 5.5 GHz 且采用 1 MHz 的音调间隔时,输出三阶截点 OIP3 达到 15.3 dBm。此外,我们获得了-11.5
dBm 的 1dB 输入压缩点 IP1dB。
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Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
Overview
3. 概述
器件:BFP840FESD
应用:面向 5-6 GHz 无线局域网、可减少组件数量的低噪放大器
电路板标记:BFP840FESD TSFP-4 M12051302
4. 实测结果汇总
表 1 实测结果汇总
参数
符号
值
单位
备注/测试条件
直流电压
Vcc
3.0
V
直流电流
Icc
14
mA
频率范围
Freq
5100
5500
5900
MHz
G
18.9
18.3
17.7
dB
NF
1.05
1.05
1.08
dB
输入回波损耗
RLin
11.1
11.6
10.8
dB
输出回报损耗
RLout
11.4
10.6
11.7
dB
反向隔离度
IRev
26.5
26.2
25.9
dB
增益
噪声系数
输入P1dB
IP1dB
-9.9
dBm
输出P1dB
OP1dB
+7.4
dBm
IIP3
-0.7
dBm
OIP3
+17.6
dBm
输入IP3
输出IP3
已减去 SMA 和 PCB 损耗(~0.15
dB)
输入功率:-25 dBm
f 1= 5500 MHz, f 2= 5501 MHz
稳定性
k
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--
> 1.0
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测得 10MHz -15GHz 之间的稳定性
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Schematics
5 原理图
V = 3.0 V
cc
J3
直流连接器
所有无源组件装箱尺寸均为“0402”
传感器 L1: LQP15M 系列
电容器:
不同
I = 14 mA
R3
51 Ω
C4
33 pF
C3
1.0 pF
R2
51 Ω
R1
L1
1.8 nH
27 kΩ
Q1
BFR840FESD
C1
22 pF
J1
RF Port1
C2
1.0 pF
J2
RF Port2
OUTPUT
INPUT
需要正确的射频接地才能确保低噪放大器的性能。
请参考第 7 章版图方案。
外部组件总数 = 8
传感器 = 1(LQP15M 系列)
电阻器 = 3
电容器 = 4
PCB 标记:BFP840FESD M12051302
PCB 板材 = 标准 FR4
层间距(最高射频到内部接地层):0.2 mm
图 2 应用电路的示意图
表 2 物料清单
代码
价值
单位
封装
制造商
备注
C1
22
pF
0402
不同厂商
输入直流阻断器
C2
C3
C4
L1
1.0
1.0
33
1.8
pF
pF
pF
nH
0402
0402
0402
0402
不同厂商
不同厂商
不同厂商
日本村田:LQP15M系列
输出直流阻断器&输出匹配
输出匹配
射频去耦/阻断电容
集电极输出匹配和偏置
R1
R2
R3
27
51
51
kΩ
Ω
Ω
0402
0402
0402
不同厂商
不同厂商
不同厂商
直流偏置
稳定性改善
直流偏置(提供直流负反馈,以使直流
工作点在温度或晶体管hFE等发生变化
时保持稳定)
Q1
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TSFP-4-1 英飞凌
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BFP840FESD SiGe:C异质结双极射
频晶体管
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Measured Graphs
6. 实测图表
带内插入功率增益
20
5100 MHz
18.9 dB
19
5500 MHz
18.3 dB
5900 MHz
17.7 dB
18
17
16
15
4000
4500
5000
5500
频率 (MHz)
6000
6500
7000
图 3 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的插入功率增益
宽带插入功率增益
20
15
2400 MHz
13.4 dB
5100 MHz
18.9 dB
5500 MHz
18.3 dB
5900 MHz
17.7 dB
10
5
0
2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000
频率 (MHz)
图 4 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的宽带插入功率增益
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Measured Graphs
噪声系数
1.4
1.3
NF(dB)
1.1
5900 MHz
1.08 dB
5500 MHz
1.05 dB
1.2
5100 MHz
1.05 dB
1
0.9
0.8
0.7
5100
5300
5500
频率 (MHz)
5700
5900
图 5 采用 BFP840FESD、适用于 5100 - 5900 MHz 频段的低噪放大器的噪声系数
反向隔离度
0
-10
5100 MHz
-26.5 dB
5500 MHz
-26.2 dB
5900 MHz
-25.9 dB
-20
-30
-40
-50
-60
4000
4500
5000
5500
频率 (MHz)
6000
6500
7000
图 6 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的反向隔离度
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Measured Graphs
输入匹配
-2
-4
-6
5100 MHz
-11.1 dB
-8
5500 MHz
-11.6 dB
5900 MHz
-10.8 dB
-10
-12
4000
4500
5000
5500
频率 (MHz)
6000
6500
7000
图 7 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的输入匹配
1.0
史密斯圆图输入匹配
Swp Max
7000MHz
5900 MHz
r 0.765841
x 0.472862
10.0
5.0
4.0
3.0
.
1
5500
MHz
r 0.699906 x
0.344662
2.0
0
8
.
0
-1.0
0.6
0.4
0.2
0
5100 MHz
r 0.618147
x 0.247142
Swp Min
3500MHz
图 8 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的输入匹配(史密斯圆图)
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Measured Graphs
输出匹配
0
-5
5500 MHz
-10.6 dB
5100 MHz
-11.4 dB
5900 MHz
-11.7 dB
-10
-15
-20
-25
-30
4000
4500
5000
5500
频率 (MHz)
6000
6500
7000
图 9 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的输出匹配
Swp Max
7000MHz
5100 MHz
r 1.15799
2.0
x -0.578139
3.0 4.0
10.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1.0
史密斯圆图输出匹配
5.0
5500 MHz
r 1.00561
x -0.619824
-1.0
5900 MHz
r 0.920867
x -0.509075
Swp Min
3500MHz
图 10 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的输出匹配(史密斯圆图)
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Measured Graphs
稳定性系数 k
3
2
5100 MHz
1.2
1
5900 MHz
1.2
5500 MHz
1.2
0
10
5010
10010
15000
频率 (MHz)
图 11 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的宽带稳定性系数 k
稳定性系数 Mu
2
1.5
1
Mu2 factor
0.5
Mu1 factor
0
10
5010
10010
15000
频率 (MHz)
图 12 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的宽带稳定性系数 Mu
Figure 12
Wideband Stability Mu Factor of the 5-6 GHz WLAN LNA with BFP840FESD
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Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
Measured Graphs
输入 1dB 压缩点
20
增益(dB)
15
-30 dBm
18.34 dB
-9.905 dBm
17.34 dB
10
5
0
-30
-25
-20
-15
引脚 (dBm)
-10
-5
0
图 13 频率为 5500 MHz 时 BFP840FESD 电路的输入 1dB 压缩点
输出三阶截点
0
5501 MHz
-6.83
功率 (dBm)
-20
-40
5499 MHz
-55.6
-60
-80
-100
5498.5
5499.5
5500.5
频率 (MHz)
5501.5
5502.5
图 14 频率为 5500 MHz 时 BFP840FESD 的输出三阶截点
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Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
Measured Graphs
关机模式 S21
-20
-22
5100 MHz
-21.3 dB
5900 MHz
-20.6 dB
-24
-26
-28
-30
4000
4500
5000
5500
频率 (MHz)
6000
6500
7000
图 15 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的关机模式(Vcc = 0V、Icc = 0mA)
S21
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Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
Evaluation Board and Layout Information
7. 评估板和版图
图 16 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的评估板
图 17 面向 5-6 GHz 无线局域网设备、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的评估板放大图片
Application Note AN289, Rev. 2.0
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2012-11-09
BFP840FESD
Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
Evaluation Board and Layout Information
0.2mm
B
E
BFP840FESD
C
E
0.3mm
图 18 面向 5-6 GHz 无线局域网、采用 BFP840FESD 的低噪放大器的射频接地版图
Vias
FR4 核, 0.2mm
铜
35µm
FR4 预浸材料,
0.8mm
图 19 PCB 层
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BFP840FESD
Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count
Authors
8. 作者
Shamsuddin Ahmed:英飞凌射频与保护器件业务部应用工程师
Chih-I Lin博士:英飞凌射频与保护器件业务部高级主管工程师/射频技术营销
9. 备注
图形是用模拟软件 AWR Microwave Office®生成的。
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www.infineon.com
英飞凌科技股份公司印制
Published by Infineon Technologies AG
AN289
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