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 ©英飞凌科技股份公司版权所有， 2012年，保留所有权利 免责声明 本文所包含的信息在任何情况下均不得被视为就相关条件和特性作出的保证。英飞凌在此声明，未就本 文中给出的任何例子或提示，以及本文中述明的器件的任何典型值和/或关于器件应用的任何信息作出任 何性质的保证，也不承担任何性质的责任，包括但不限于没有侵犯任何第三方的知识产权的保证。 信息垂询 若需获得关于技术、交付条款和价格的更多信息，敬请联系距离您最近的英飞凌办事处（ www.infineon.com）。 警告 由于技术要求，组件可能包含有害物质。若需了解相关物质的类型，请联系距离您最近的英飞凌办事处。 如果可以合理地预计英飞凌的某个组件可能会导致生命支持设备或系统失效，或者影响该等设备或系统 的安全性或有效性，那么在将该等组件用于生命支持设备或系统之前，必须获得英飞凌的明确书面同意。 生命支持设备或系统意指用于植入人体内部，或者支持和/或维持、维系和/或保护人类生命的设备或系统。 如果这些设备或系统失效，可以合理地假设其用户或其他人的健康将受到威胁。 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 AURIX™、C166™、CanPAK™、CIPOS™、CIPURSE™、EconoPACK™、 CoolMOS™、CoolSET™、 CORECONTROL™ 、 CROSSAVE™ 、 DAVE™ 、 DI-POL™ 、 EasyPIM™ 、 EconoBRIDGE™ 、 EconoDUAL™ 、 EconoPIM™ 、 EconoPACK™ 、 EiceDRIVER™ 、 eupec™ 、 FCOS™ 、 HITFET™ 、 HybridPACK™、 I²RF™、ISOFACE™、IsoPACK™、MIPAQ™、ModSTACK™、my-d™、NovalithIC™、 OptiMOS™、ORIGA™、POWERCODE™、PRIMARION™、PrimePACK™、PrimeSTACK™、PRO-SIL™、 PROFET™ 、 RASIC™ 、 ReverSave™ 、 SatRIC™ 、 SIEGET™ 、 SINDRION™ 、 SIPMOS™ 、 SmartLEWIS™、SOLID FLASH™、TEMPFET™、thinQ!™、TRENCHSTOP™、TriCore™。 其他商标 安捷伦科技有限公司的Advance Design System™（ADS）、AMBA™、ARM™、MULTI-ICE™、KEIL™ 、PRIMECELL™、REALVIEW™、THUMB™、英国ARM有限公司的µVision™；AUTOSAR™ 获得 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 份公司的EPCOS™；微软公司的FLEXGO™；FlexRay™获得FlexRay Consortium组织的许可； Hilgraeve公司的HYPERTERMINAL™；国际电工技术委员会的IEC™；红外数据协会的IrDA™；国际标 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 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................................................................................................................................................. 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 4 / 20 2012-11-09 BFP840FESD 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 5 / 20 2012-11-09 BFP840FESD 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）。 Application Note AN289, Rev. 2.0 6 / 20 2012-11-09 BFP840FESD 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。 Application Note AN289, Rev. 2.0 7 / 20 2012-11-09 BFP840FESD 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 -- > 1.0 8 / 20 测得 10MHz -15GHz 之间的稳定性 2012-11-09 BFP840FESD Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 TSFP-4-1 英飞凌 9 / 20 BFP840FESD SiGe：C异质结双极射 频晶体管 2012-11-09 BFP840FESD Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 10 / 20 2012-11-09 BFP840FESD Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 11 / 20 2012-11-09 BFP840FESD Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count 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） Application Note AN289, Rev. 2.0 12 / 20 2012-11-09 BFP840FESD Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count 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） Application Note AN289, Rev. 2.0 13 / 20 2012-11-09 BFP840FESD Low Noise Amplifier for 5 to 6 GHz WLAN with Low Parts-Count 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 14 / 20 2012-11-09 BFP840FESD 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 15 / 20 2012-11-09 BFP840FESD 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 16 / 20 2012-11-09 BFP840FESD 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 17 / 20 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 Application Note AN289, Rev. 2.0 18 / 20 2012-11-09 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。 Application Note AN289, Rev. 2.0 19 / 20 2012-11-09 www.infineon.com 英飞凌科技股份公司印制 Published by Infineon Technologies AG AN289