對性能、小型化和更高頻率的需求，正挑戰無(wú)線(xiàn)系統中兩個(gè)關(guān)鍵天線(xiàn)連接元器件的限制：功率放大器(PA) 和低噪聲放大器(LNA)。5G 的發(fā)展以及 PA 和 LNA 在微波無(wú)線(xiàn)電鏈路、VSAT（衛星通信系統）和相控陣雷達系統中的使用正促成這種轉變。這些應用的要求包括較低噪聲（對于 LNA）和較高能效（對于 PA）以及在高達或高于 10 GHz 的較高頻率下的運行。為了滿(mǎn)足這些日益增長(cháng)的需求，LNA 和 PA 制造商正在從傳統的全硅工藝轉向用于 LNA 的砷化鎵(GaAs) 和用于 PA 的氮化鎵(GaN)。

本文將介紹 LNA 和 PA 的作用和要求及其主要特性，然后介紹典型的 GaAs 和 GaN 器件以及利用這些器件進(jìn)行設計時(shí)的注意事項。

LNA 的靈敏作用
LNA 的作用是從天線(xiàn)獲取極其微弱的不確定信號，這些信號通常是微伏數量級的信號或者低于 -100 dBm，然后將該信號放大至一個(gè)更有用的水平，通常約為 0.5 到 1 V（圖 1）。具體來(lái)看，在 50 Ω 系統中 10 μV 為 -87 dBm，100 μV 等于 -67 dBm。

利用現代電子技術(shù)可以輕松實(shí)現這樣的增益，但 LNA 在微弱的輸入信號中加入各種噪聲時(shí)，問(wèn)題將遠不是那么簡(jiǎn)單。LNA 的放大優(yōu)勢會(huì )在這樣的噪聲中*消失。

圖 1：接收路徑的低噪聲放大器(LNA) 和發(fā)送路徑的功率放大器(PA) 經(jīng)由雙工器連接到天線(xiàn)，雙工器分開(kāi)兩個(gè)信號，并防止相對強大的 PA 輸出使靈敏的 LNA 輸入過(guò)載。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

注意，LNA 工作在一個(gè)充滿(mǎn)未知的世界中。作為收發(fā)通道的前端，LNA 必須能捕捉并放大相關(guān)帶寬內功耗極低的低電壓信號以及天線(xiàn)造成的相關(guān)隨機噪聲。在信號理論中，這種情況稱(chēng)作未知信號 / 未知噪聲難題，是所有信號處理難題中最難的部分。

LNA 的主要參數是噪聲系數(NF)、增益和線(xiàn)性度。噪聲來(lái)自熱源及其它噪聲源，噪聲系數的典型值為 0.5 - 1.5 dB。單級放大器的典型增益在 10 - 20 dB 之間。有一些設計采用在低增益、低 NF 級后加一個(gè)更高增益級的級聯(lián)放大器，這種設計可能達到較高的 NF，不過(guò)一旦初始信號已經(jīng)“增大”，這樣做就變得不那么重要。（有關(guān) LNA、噪聲和射頻接收器的詳細內容，請參閱 TechZone 中《低噪聲放大器可以最大限度地提升接收器的靈敏度》一文。）

LNA 的另一個(gè)問(wèn)題是非線(xiàn)性度，因為合成諧波和互調失真可使接收到的信號質(zhì)量惡化，在位誤差率(BER) 相當低時(shí)使得信號解調和解碼變得更加困難。通常用三階交調點(diǎn)(IP3) 作為線(xiàn)性度的特征化參數，將三階非線(xiàn)性項引起的非線(xiàn)性乘積與以線(xiàn)性方式放大的信號關(guān)聯(lián)在一起；IP3 值越高，放大器性能的線(xiàn)性度越好。

功耗和能效在 LNA 中通常不屬于首要問(wèn)題。就本質(zhì)而言，絕大多數 LNA 是功耗相當低且電流消耗在 10 - 100 mA 之間的器件，它們向下一級提供電壓增益，但不會(huì )向負載輸送功率。此外，系統中僅采用一個(gè)或者兩個(gè) LNA（后者常用于 Wi-Fi 和 5G 等接口的多功能天線(xiàn)設計中），因此通過(guò)低功耗 LNA 節能的意義不大。

除工作頻率和帶寬外，各種 LNA 相對來(lái)講在功能上非常相似。一些 LNA 還具有增益控制功能，因此能夠應對輸入信號的寬動(dòng)態(tài)范圍，而不會(huì )出現過(guò)載、飽和。在基站至手機通道損耗范圍寬的移動(dòng)應用中，輸入信號強度變化范圍如此之寬的情況會(huì )經(jīng)常遇到，即使單連接循環(huán)也是如此。

輸入信號到 LNA 的路由以及來(lái)自其輸出信號與元器件本身的規格一樣重要。因此，設計人員必須使用復雜的建模和布局工具來(lái)實(shí)現 LNA 的全部潛在性能。由于布局或阻抗匹配不佳，優(yōu)質(zhì)元器件可能容易劣化，因此務(wù)必要使用供應商提供的史密斯圓圖（參見(jiàn)“史密斯圓圖：射頻設計中依舊至關(guān)重要的一個(gè)‘古老’圖形工具”），以及支持仿真和分析軟件的可靠電路模型。

由于這些原因，幾乎所有在 GHz 范圍內工作的高性能 LNA 供應商均會(huì )提供評估板或經(jīng)過(guò)驗證的印刷電路板布局，因為測試設置的每個(gè)方面都至關(guān)重要，包括布局、連接器、接地、旁路和電源。沒(méi)有這些資源，設計人員就需要浪費時(shí)間來(lái)評估元器件在其應用中的性能。

基于 GaAs 的 LNA 的一個(gè)代表是 HMC519LC4TR。這是一種來(lái)自 Analog Devices 的 18 到 31 GHz pHEMT（假晶高電子遷移率晶體管）器件（圖 2）。這種無(wú)引線(xiàn) 4×4 mm 陶瓷表面貼裝封裝可提供 14 dB 的小信號增益，以及 3.5 dB 的低噪聲系數和+ 23 dBm 的高 IP3。該器件可從單個(gè)+3 V 電源提取 75 mA 電流。

圖 2：HMC519LC4TR GaAs LNA 為 18 至 31 GHz 的低電平輸入提供低噪聲增益；大多數封裝連接用于電源軌、接地或不使用。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

從簡(jiǎn)單的功能框圖到具有不同值和類(lèi)型的多個(gè)外部電容器都需要一個(gè)設計進(jìn)程，提供適當的射頻旁路，在三個(gè)電源軌饋電上具有低寄生效應，為 Vdd（圖 3）。

圖 3：在實(shí)際應用中，HMC519LC4TR LNA 在其電源軌上需要多個(gè)額定電壓相同的旁路電容器，以提供用于低頻濾波的大電容以及用于射頻旁路的較小值電容，從而一定程度地減少射頻寄生效應。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

根據此增強原理圖生成評估板，詳細說(shuō)明布局和 BOM，包括非 FR4 印刷電路板材料的使用（圖 4(a) 和 4(b)）。

圖 4(a)

圖 4(b)

圖 4：考慮到這些 LNA 前端工作的高頻率和它們必須捕獲的低電平信號，一個(gè)詳細且經(jīng)測試的評估設計至關(guān)重要。其中包括一份原理圖（未顯示）、電路板布局(a) 和 BOM，及無(wú)源元器件和印刷電路板材料(b) 的細節。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

MACOM MAAL-011111 是用于更高頻率的 GaAs LNA，可支持 22 至 38 GHz 運行（圖 5）。該器件可提供 19 dB 的小信號增益和 2.5 dB 的噪聲系數。此 LNA 表面上是一個(gè)單級器件，但其內部實(shí)際有三個(gè)級聯(lián)級。第一級針對低噪聲和中等增益進(jìn)行了優(yōu)化，后續級別提供額外增益。

圖 5：對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，MAAL-011111 LNA 表面上是一個(gè)單級放大器，但其內部使用了一系列增益級，旨在大化輸入到輸出信號路徑 SNR，同時(shí)在輸出端增加顯著(zhù)增益。（圖片來(lái)源：MACOM）

與 Analog Devices 的 LNA 類(lèi)似，MAAL-011111 只需要一個(gè)低壓電源，且尺寸僅為 3×3 mm，極為小巧。用戶(hù)可以通過(guò)將偏置（電源）電壓設置在 3.0 和 3.6 V 之間的不同值來(lái)調整和權衡某些性能規格。建議電路板布局顯示保持適當的阻抗匹配和地平面性能所需的關(guān)鍵印刷電路板銅皮尺寸（圖 6）。

圖 6：建議的布局，充分利用了 MACOM 的 MAAL-011111，同時(shí)提供輸入和輸出阻抗匹配。注意，對于阻抗控制型傳輸線(xiàn)以及低阻抗地平面，使用印刷電路板銅皮（尺寸以毫米為單位）。（圖片來(lái)源：MACOM）

PA 驅動(dòng)天線(xiàn)
與 LNA 困難的信號捕獲挑戰相反，PA 則是從電路中獲取相對強的信號，具有很高的 SNR，且必須用來(lái)提高信號功率。與信號有關(guān)的所有通用系數均已知，如幅值、調制、波形、占空比等。這就是信號處理圖中的已知信號 / 已知噪聲象限，是最容易應對的。

PA 的主要參數為相關(guān)頻率下的功率輸出，其典型增益在+10 至+30 dB 之間。能效是 PA 參數中僅次于增益的又一關(guān)鍵參數，但是使用模型、調制、占空比、允許失真度以及受驅信號的其它方面會(huì )使任何能效評估變得復雜。PA 的能效在 30 到 80% 之間，但這在很大程度上是由多種因素決定的。線(xiàn)性度也是 PA 的關(guān)鍵參數，與在 LNA 一樣用 IP3 值判定。

盡管許多 PA 采用低功耗 CMOS 技術(shù)（最高約 1 至 5 W），但在最近幾年里，其它技術(shù)業(yè)已發(fā)展成熟并被廣泛應用，在考慮將能效作為電池續航時(shí)間和散熱的關(guān)鍵指標的更高功率水平的情況下，尤其如此。在需要幾個(gè)瓦特或更高功率的情況下，采用氮化鎵(GaN) 的 PA 在更高功率和頻率（典型值為 1 GHz）下具有更優(yōu)的能效。尤其是考慮到能效和功率耗散時(shí)，GaN PA 具成本競爭力。

Cree/Wolfspeed CGHV14800F（1200 到 1400 MHz，800 W 器件）是最新的一些基于 GaN 的 PA 代表。這種 HEMT PA 的能效、增益和帶寬組合對脈沖 L 波段雷達放大器進(jìn)行了優(yōu)化，使設計人員能夠在空中流量管制(ATC)、天氣、反導和目標跟蹤系統等應用中找到許多用途。使用 50 V 電源，提供 50% 及更高的典型能量轉換效率，并采用 10 ×20 mm 陶瓷封裝，帶有用于冷卻的金屬法蘭（圖 7）。

圖 7：CGHV14800F 1200 至 1400 MHz，800 W，GaN PA 具有金屬法蘭的 10 ×20 mm 陶瓷封裝必須同時(shí)滿(mǎn)足困難的射頻和散熱要求。出于機械和熱完整性考慮，注意安裝法蘭時(shí)將封裝旋緊（不焊接）到印刷電路板。（圖片來(lái)源：Cree/Wolfspeed）

CGHV14800F 采用 50 V 電源供電，通常提供 14 dB 的功率增益，能量轉換效率> 65%。與 LNA 一樣，評估電路和參考設計至關(guān)重要（圖 8）。

圖 8：除了器件本身之外，為 CGHV14800F PA 提供的演示電路需要的元器件非常少，但物理布局和散熱考慮很關(guān)鍵；考慮安裝完整性和熱目標，PA 通過(guò)封裝法蘭以螺釘和螺母（在底部，不可見(jiàn)）固定到板上。（圖片來(lái)源：Cree/Wolfspeed）

許多規格表和性能曲線(xiàn)中同樣重要的是功率耗散降額曲線(xiàn)（圖 9）。該曲線(xiàn)顯示了可用的功率輸出額定值與外殼溫度的關(guān)系，指示最大允許功率是恒定的 115°C，然后線(xiàn)性減小到 150°C 的最大額定值。

圖 9：由于其在輸送功率方面的作用，需要 PA 降額曲線(xiàn)向設計人員顯示允許輸出功率隨著(zhù)外殼溫度的升高而降低。這里，額定功率在 115?C 之后迅速下降。（圖片來(lái)源：Cree/Wolfspeed）

MACOM 還提供了基于 GaN 的 PA，例如 NPT1007 GaN 晶體管（圖 10）。其直流至 1200 MHz 的頻率跨度適用于寬帶和窄帶射頻應用。該器件通常以 14 到 28 V 之間的單電源工作，可在 900 MHz 提供 18 dB 的小信號增益。該設計旨在耐受 10:1 SWR（駐波比）不匹配，且不會(huì )發(fā)生器件退化。

圖 10：MACOM 的 NPT1007 GaN PA 跨越直流到 1200 MHz 的范圍，適用于寬帶和窄帶射頻應用。設計人員通過(guò)各種負載拉伸圖獲得額外支持。（圖片來(lái)源：MACOM）

除了顯示 500、900 和 1200 MHz 時(shí)性能基礎的圖外，NPT1007 還支持各種“負載拉伸”圖，為努力確保穩定產(chǎn)品（圖 11）的電路和系統設計人員提供幫助。負載拉伸測試使用成對信號源和信號分析儀（頻譜分析儀、功率計或矢量接收器）完成。

該測試要求看到被測設備(DUT) 的阻抗變化，以評估 PA 的性能（包括諸如輸出功率、增益和能效等因素），因為所有相關(guān)的元器件值可能由于溫度變化或由于圍繞其標稱(chēng)值的公差帶內的變化而改變。

圖 11：NPT1007 PA 的負載拉伸圖超出了最小 / 最大 / 典型規格標準表，以在其負載阻抗偏離其標稱(chēng)值（初始生產(chǎn)公差以及熱漂移會(huì )導致實(shí)際使用中出現這種情況）時(shí)顯示 PA 性能。（圖片來(lái)源：MACOM）

無(wú)論使用哪種 PA 工藝，器件的輸出阻抗均必須由供應商進(jìn)行充分特征化，使設計人員能將該器件與天線(xiàn)正確匹配，實(shí)現最大的功率傳輸并盡可能保持 SWR 一致。匹配電路主要由電容器和電感器構成，并且可實(shí)現為分立器件，或者制造為印刷電路板甚至產(chǎn)品封裝的一部分。其設計還必須維持 PA 功率水平。再次重申，史密斯圓圖等工具的使用，是理解并進(jìn)行必要的阻抗匹配的關(guān)鍵。

鑒于 PA 較小的芯片尺寸和較高的功率水平，封裝對 PA 來(lái)講是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如前所述，許多 PA 通過(guò)寬的散熱封裝引線(xiàn)和法蘭支撐以及封裝下的散熱片散熱，作為到印刷電路板銅皮的路徑。在較高功率水平（約高于 5 至 10 W），PA 可以有銅帽，使散熱器可以安裝在頂部，并且可能需要風(fēng)扇或其它先進(jìn)的冷卻技術(shù)。

GaN PA 相關(guān)的額定功率和小尺寸意味著(zhù)對熱環(huán)境建模至關(guān)重要。當然，將 PA 本身保持在允許的情況或結溫范圍內是不夠的。從 PA 散去的熱量不能給電路和系統其它部分帶來(lái)問(wèn)題。必須考慮處理和解決整個(gè)熱路徑。

總結
從智能手機到 VSAT 端子和相控陣雷達系統等基于射頻的系統正在推動(dòng) LNA 和 PA 性能的極限。這使得器件制造商不再局限于硅，而是探索 GaAs 和 GaN 以提供所需的性能。

這些新的工藝技術(shù)為設計人員提供了帶寬更寬、封裝更小、能效更高的器件。不過(guò)，設計人員需要了解 LNA 和 PA 運行的基礎知識，才能有效地應用這些新技術(shù)。

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