白皮书 用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计 作者：Fikret Altunkilic、Alan Miller、Vivian Tzanakos 和 Michele Lewis 简介 放大器要适用于无线基础架构接收器，必须满足低噪声、 高线性度和无条件稳定性等关键要求。为此，Skyworks 使用 0.5 微米增强型 pHEMT（即 E-pHEMT） 技术开 发了新的低噪声放大器 (LNA) 系列。覆盖 0.7–1.0 GHz 的 SKY67101-396LF 和覆盖 1.7–2.0 GHz 的 SKY67100-396LF 适用于 GSM、WCDMA、 TDSCDMA 和 LTE 基础架构接收回路应用。为降低成本和节省 PCB 空 间，这些 LNA 均采用 2 x 2 毫米 QFN 封装，且不同频 带可使用相同的布线。 规格 噪声系数 (NF) 性能是接收器系统的关键参数之一，因 为它描述的是对低电平信号的接收能力。噪声系数越 低，接收器的灵敏度越好。以三阶交调截取点 (IP3) 表 征了当有频率相近信号时，放大器抑制互调失真的能 力。绝对稳定性是指放大器在任何输入或者输出负载条 件下都不会产生振荡的能力。其它一些规格，包括电流 消耗、回波损耗和人体模型静电释放 (HBM ESD) 等也 同样重要，在 LNA 设计过程中也必须对其加以考虑。 为了以最小的代价获取最优化的性能，需要采用一些特 殊的设计技术。低频带和高频带 LNA 的目标规格如表 1 所示。 低频带 0.9 GHz SKY67101 高频带 1.9 GHz SKY67100 0.55 0.65 增益 (GA, dB) 18 17.5 输入回波损耗 (|S11|, dB) >20 >20 输出回波损耗 (|S22|, dB) >20 >12 隔离度 (|S12|, dB) >30 >30 输出 1dB 压缩 (OP1 dB, dBm) >18 >18 三阶交调截取点 (OIP3, dBm) >34 >34 电源电压 (V, V) 4 4 电源电流 (I, mA) 55 55 >250 >250 参数 噪声系数 (NF, dB) HBM 静电释放额定值 (ESD, V) 表 1. VDD = 5 V，温度 = 25°C 条件下的 LNA 规格 技术和拓扑结构选择 为获得优秀的 RF 性能、超低的噪声和高线性度，设计 选择使用 0.5 μm 增强型 pHEMT 技术。由于该技术在 FET 的门极只需要正电压，因而也简化了 MMIC 设计。 这样就可以直接把电源接地，并且无需额外元件构成自 偏置结构。电路仿真也因此可以相当精确。 设计采用了具备高带宽、高增益和高反向隔离度等特点 的共源共栅 LNA 拓扑结构。 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专利和保密信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知 • 2010 年 9 月 10 日 1 白皮书 • 用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计 设计步骤 本论文将详细讲述 SKY67101-396LF 900 MHz LNA 的 设计方案。SKY67100-396LF 1900 MHz 的设计使用相 同的方法，通过频率调整技术实现。低频带和高频带的 测量结果和仿真结果显示在“仿真和测量结果比较”部 分。 偏置电路 图 1 显示的是随温度、制程和电源电压变化，将 LNA 的 电流消耗稳定在大约 55 mA 左右的主动调节偏置电路。 R1 用于通过设置引脚 4 的电压来设置偏置总电流。电源 偏置的任何波动将由有源偏置电路进行稳定处理。通过 L1 电感器，引脚 2 获得经过稳定处理的门极电压。这些 元件还用于实现输入阻抗和噪声系数源阻抗的匹配。 噪声系数 (NF) 和输入匹配 噪声系数和输入回波损耗是 LNA 设计中的主要因素。 共源共栅设计的第一级旨在获得最佳的噪声系数、输出 阻抗匹配和目标漏源电流 (Ids) 下的 P1dB。而缓冲级则 是在不影响其它性能规格的前提下获取最佳的 IP3 性 能、输出匹配和 P1dB。该拓扑结构通过源极反馈几乎可 以在所有阻抗下保持稳定（在添加级间网络、输出网 络、传输线路损耗和 SMT 元件寄生阻抗后，可以实现 绝对稳定。请参阅“线性度”和“稳定性”部分）。图 3 显示拓扑结构频率变化时的增益和 NFmin 最小噪声系 数）权衡。 图 3. 频率变化时的增益与 NFmin 权衡 图 1. 偏置、匹配元件和封装 图 4 显示 900 MHz 时共源共栅拓扑结构在史密斯图中 源极稳定区域内的噪声系数常量圆、源级稳定性圆和可 用的增益圆。 温度变化（-40 °C 至 +80°C）时电源电流的测量值与仿 真值差异约为 3 mA（如图 2 所示）。 图 2. 温度变化时补偿后的测量电流与仿真电流的对比 图 4. 可用的增益和噪声圆 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com 2 • 2010 年 9 月 10 日 • Skyworks 专利和保密信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知 白皮书 • 用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计 考虑 SMT 元件的寄生效应和传输线路损耗，在 0.4 dB 噪声圆和 18 dB 增益圆内选中源阻抗点 Zs = 64 + j44 Ω，作为噪声、增益和输入回波损耗匹配之间的权衡点。 输入匹配网络由 C1、C2 和 L1 实现。C1 和 L1 选用高 Q 元件以获取最佳的噪声系数。C1 还用于直流阻隔。有 关仿真增益、输入回波损耗和噪声系数的信息，请参阅 “仿真和测量结果比较”部分。 线性度 (OIP3) 和 P1 dB 带内和带外的输入、输出端接负载，将直接影响放大器 的线性度。放大器的输入和输出负载可以通过源和负载 牵引技术扫描得到。在这里，负载牵引的测量是在源匹 配完成之后进行的。 源与阻抗 Zs = 64 + j44 Ω 完成匹配获得所需的 NF、输 入回波损耗和偏置电流增益后，P1 dB 和 OIP3 将取决于 输出匹配和反馈网络。使用仿真模型估算 0.9 GHz 下两 个相隔 5 MHz 的音调的 OIP3，每个音调的输入功率为 PIN = -20 dBm。图 5 在史密斯图上显示了负载牵引阻 抗，其中的圆表示 0.9 GHz 下最佳的 OIP3 区域。 图 6 显示 0.9 GHz 下的 OIP3 和输出功率等高线。 图 5. OIP3、输出功率和 IMD3 的仿真 负载牵引 图 6. OIP3 和输出功率等高线 最终的负载牵引仿真和匹配应在连接好输入和输出匹配 电路（如图 1 所示）后执行。完成源和负载匹配后， OIP3 和 P1 dB 仿真结果分别显示在图 7 和图 8 中。 图 7. 匹配源和负载后的仿真 OIP3 图 8. 匹配源和负载后的仿真 P1 dB Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专利和保密信息。 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 • 2010 年 9 月 10 日 3 白皮书 • 用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计 稳定性 布线 稳定性是 LNA 最重要的要求之一。典型的规格要求实 现最高 18 GHz 频率下绝对稳定工作。每一级设计也必 须符合绝对稳定工作的要求，包括所有条件下的所有外 部元件和偏置。在此频率范围内的多数情况下，高增 益、低噪声的设备往往会变得非常不稳定。为了稳定设 备同时满足这些要求，必须采用多种稳定性设计技术。 SKY67100/SKY67101 应用测试板布线的设计旨在尽可 能获得最低噪声系数和最佳稳定性。测试板为在 50 mil 厚的 FR4 基底上叠加 10 mil 厚的 Rogers 4350B 基 板。RF 电路中选择使用 Rogers 4350B 材料，是由于 它具有介电常数 (εr) 低、介电常数不易受随温度变化的 影响等特点，能实现最佳的噪声性能。成本相对较低的 FR4 材料则用于承载其余压层，并提高机械刚度和厚 度。微带线宽度和空间设计能够接受常用的 0402 尺寸 的表面安装元件，同时维持统一的 50 Ω。覆铜厚度为 1.4 mil，可减少电路损耗及其对噪声系数的累加效应。 评估板偏压使用 4.0 V 单电源。 为解决低工作频率下的稳定性问题，通常在源极会采用 一个电感。 用于输入和噪声系数匹配的源极反馈电感器也可以用来 实现稳定性。常用的一种技术是使用串并行 LR 网络。 这种网络的作用是在低频率时充当低阻抗，而在高频率 时充当高阻抗。 另一种常用的技术是从漏极到接地之间连接串并联 CR 网络。这种网络的作用是在高频率时充当分流电阻，而 在低频率时充当高阻抗。接地的分流电阻有利于稳定设 备。 元件选择 图 9 显示的是测试板原理图。输入元件 C1、C2 和 L1 决定了设备的输入匹配和噪声系数。为获得最佳的噪声 系数，推荐使用高 Q 值元件。 还有一种用来改善稳定性的方法，那便是在设备的输出 和输入之间使用并联反馈。不过这种方法会降低噪声系 数。因此，它通常用在第二级（缓冲）设计中，而不用 于第一级设计。这种反馈也有利于 IP3、回波损耗 (RL) 和增益调整。 稳定电路集成于共源共栅 LNA 中。SKY67100 和 SKY67101 最终的仿真稳定性和测量稳定性结果如 图 16 和 17 所示。 静电释放因素 静电释放 (ESD) 指的是处于不同静电位的物体或表面之 间发生的静电转移，它对半导体器件具有极大的破坏 性。ESD 必须在产品开发的早期阶段予以解决。设计中 使用功率钳制、二极管和叠接二极管 ESD 保护电路在 所有引脚组合间获得 1A 级(>250 V) 的 HBM 额定值。 设计方案中的其它部件也使用 ESD 保护电路，但需要 特别注意确保不会降低小信号、大信号和噪声系数性 能。 图 9. SKY67101-396LF 评估板布局 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com 4 • 2010 年 9 月 10 日 • Skyworks 专利和保密信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知 白皮书 如果需要增益调整，元件 R2 和 C4 可构成设备的反馈 电路。 • 用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计 图 12 描述了 SKY67101 设备的输入和输出回波损耗。 0.9 GHz 测得的输入和输出回波损耗均高于 20 dB。 输出匹配通过元件 L2 和 C5 实现。 L2 还在偏置电路中用来对元件 C6、C7 和 C8 去耦合。 通过微调输出匹配，可以优化线性度。 仿真和测量结果比较 图 10 和 11 描述了 SKY67100-396LF (1.9 GHz) 和 SKY67101-396LF (0.9 GHz) 随宽带频率范围变化得到 的测量和仿真增益曲线图。SKY67101 在 0.9 GHz 的增 益为 18.2 dB，SKY67100 在 1.9 GHz 的增益为 17.67 dB。 图 12. SKY67101 回波损耗仿真值和测量值 图 13 描述了 SKY67100 设备的输入和输出回波损耗。 图 10. SKY67101 增益仿真值和测量值 图 13. SKY67100 输入和输出回波损耗仿真值和测量值 图 11. SKY67100 增益仿真值和测量值 图 14 和 15 显示了带内 OIP3 和 P1dB 性能。SKY67101 的 OIP3 测量值在 900 +/- 5 MHz 获得，而 SKY67100 在 1950 +/- 5 MHz 获得。 图 14. SKY67101 大信号数据仿真值和测量值 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专利和保密信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知 • 2010 年 9 月 10 日 5 白皮书 • 用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计 图 18 和 19 描述了 SKY67101 和 SKY67100 各自的稳 定性性能测量值和仿真值。两个设备随带宽范围变化所 显示的无条件稳定性均为 B > 0，Rollet 稳定性系数 K > 1。 图 15. SKY67100 大信号数据仿真值和测量值 图 16 和 17 展示了 SKY67101 和 SKY67100 各自的 NF 性能测量值和仿真值对比。考虑到输入接头和连 接至第一个匹配元件的评估板传输线所造成的损耗， 我们对 SKY67101 应用了 0.05 dB 的校正系数，并 对 SKY67100 应用了 0.1 dB 的校正系数。 图 18. SKY67101 稳定性仿真值和测量值 图 16. SKY67101 噪声系数 (NF) 仿真值和测量值 图 19. SKY67100 稳定性仿真值和测量值 结论 图 17. SKY67100 噪声系数 (NF) 仿真值和测量值 本文展示的是两个低噪声、高线性度放大器产品 SKY67100 和 SKY67101 的设计方案。这些 LNA 均采 用共源共栅拓扑结构的增强型 pHEMT 器件实现，适用 于各种无线基础架构产品的接收器应用。它们都采用小 型、低成本的 2 x 2 毫米 QFN 封装并使用通用的引脚和 布线设计。 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com 6 • 2010 年 9 月 10 日 • Skyworks 专利和保密信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知 白皮书 • 用于基础架构接收器的超低噪声放大器设计 版权所有 © 2010 Skyworks Solutions, Inc.。保留所有权利。 本文档中的信息与 Skyworks Solutions, Inc.（“Skyworks”）产品或服务有关。Skyworks 将这些材料，包括此处所包含的信息，作为一项服务提供给其客户，仅供客户 参考。Skyworks 对这些材料或此处所包含的信息中的错误或遗漏之处概不负责。Skyworks 可能会随时更改其文档、产品、服务、规格和产品介绍，恕不另行通知。 Skyworks 对更新材料或信息不作任何承诺，对因以后的更改引起的冲突、不兼容或其它问题概不负责。 本文档不会授予对任何知识产权的任何明示或暗示的许可，无论是通过禁止还是其它方式。除非在 Skyworks 销售条款和条件中规定，Skyworks 对此处提供的任何材 料、产品或信息——包括销售、分销、复制或使用 Skyworks 产品、信息或材料的行为——概不负责。 所有材料、产品和信息均“按原样”提供，不附带任何类型的明示、暗示、法定或其它形式的担保，包括特定用途或使用的适用性、适销性、性能、质量或对任何知识产 权的侵权；所有此类担保在此均以明示方式免责。SKYWORKS 也不保证这些材料中包含的信息、文字、图形或其它内容的准确性或完整性。SKYWORKS 不应对任 何损害承担责任，包括但不限于任何特殊的、间接的、偶发的、法定的或随发的损害，包括但不限于由于使用这些材料或信息导致的收入损失或利润损失，不论材料接 收人是否已被告知发生此类损害的可能性。 Skyworks 产品不适用于医疗、救护或生命维持方面的应用，或 Skyworks 产品故障可能导致人身伤害、死亡、机械损坏或环境破坏的其它设备。使用或销售 Skyworks 产品的客户如果在此类应用中使用 Skywork 产品，相关风险应自行承担，并且同意对于任何因此类不当的使用或销售造成的损失，Skyworks 完全免责。 设计缺陷、错误或产品操作超出发布参数或设计规格范围可导致 Skyworks 产品偏离其发布规格，客户应对其这类使用 Skyworks 产品的产品和应用负责。客户应采取 设计和操作保障措施，以降低这类风险以及其它风险。Skyworks 对应用辅助、客户产品设计或由于超出发布规格或参数使用 Skyworks 产品导致的损害概不负责。 Skyworks、Skyworks 符号和 “Breakthrough Simplicity” 是 Skyworks Solutions, Inc. 在美国和其它国家/地区的商标或注册商标。第三方品牌和名称仅用于标识用途， 归各自所有者所有。www.skyworksinc.com 上张贴的附加信息，包括相关条款和条件，均通过引用的形式提供。 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专利和保密信息。 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 • 2010 年 9 月 10 日 7