對性能、小型化和更高頻率的需求，正挑戰無線係統中兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵天線連接元器件的限製：功率放大器(PA) 和低噪聲放大器(LNA)。5G 的發展以及 PA 和 LNA 在微波無線電鏈路、VSAT（衛星通信係統）和相控陣雷達係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（對於(yu) LNA）和較高能效（對於(yu) PA）以及在高達或高於(yu) 10 GHz 的較高頻率下的運行。為(wei) 了滿足這些日益增長的需求，LNA 和 PA 製造商正在從(cong) 傳(chuan) 統的全矽工藝轉向用於(yu) LNA 的砷化镓(GaAs) 和用於(yu) PA 的氮化镓(GaN)。

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

LNA 的靈敏作用
LNA 的作用是從(cong) 天線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於(yu) -100 dBm，然後將該信號放大至一個(ge) 更有用的水平，通常約為(wei) 0.5 到 1 V（圖 1）。具體(ti) 來看，在 50 Ω 係統中 10 μV 為(wei) -87 dBm，100 μV 等於(yu) -67 dBm。

利用現代電子技術可以輕鬆實現這樣的增益，但 LNA 在微弱的輸入信號中加入各種噪聲時，問題將遠不是那麽(me) 簡單。LNA 的放大優(you) 勢會(hui) 在這樣的噪聲中*消失。

圖 1：接收路徑的低噪聲放大器(LNA) 和發送路徑的功率放大器(PA) 經由雙工器連接到天線，雙工器分開兩(liang) 個(ge) 信號，並防止相對強大的 PA 輸出使靈敏的 LNA 輸入過載。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

注意，LNA 工作在一個(ge) 充滿未知的世界中。作為(wei) 收發通道的前端，LNA 必須能捕捉並放大相關(guan) 帶寬內(nei) 功耗極低的低電壓信號以及天線造成的相關(guan) 隨機噪聲。在信號理論中，這種情況稱作未知信號 / 未知噪聲難題，是所有信號處理難題中最難的部分。

LNA 的主要參數是噪聲係數(NF)、增益和線性度。噪聲來自熱源及其它噪聲源，噪聲係數的典型值為(wei) 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 級後加一個(ge) 更高增益級的級聯放大器，這種設計可能達到較高的 NF，不過一旦初始信號已經“增大”，這樣做就變得不那麽(me) 重要。（有關(guan) LNA、噪聲和射頻接收器的詳細內(nei) 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(ge) 問題是非線性度，因為(wei) 合成諧波和互調失真可使接收到的信號質量惡化，在位誤差率(BER) 相當低時使得信號解調和解碼變得更加困難。通常用三階交調點(IP3) 作為(wei) 線性度的特征化參數，將三階非線性項引起的非線性乘積與(yu) 以線性方式放大的信號關(guan) 聯在一起；IP3 值越高，放大器性能的線性度越好。

功耗和能效在 LNA 中通常不屬於(yu) 首要問題。就本質而言，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(men) 向下一級提供電壓增益，但不會(hui) 向負載輸送功率。此外，係統中僅(jin) 采用一個(ge) 或者兩(liang) 個(ge) LNA（後者常用於(yu) Wi-Fi 和 5G 等接口的多功能天線設計中），因此通過低功耗 LNA 節能的意義(yi) 不大。

除工作頻率和帶寬外，各種 LNA 相對來講在功能上非常相似。一些 LNA 還具有增益控製功能，因此能夠應對輸入信號的寬動態範圍，而不會(hui) 出現過載、飽和。在基站至手機通道損耗範圍寬的移動應用中，輸入信號強度變化範圍如此之寬的情況會(hui) 經常遇到，即使單連接循環也是如此。

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

由於(yu) 這些原因，幾乎所有在 GHz 範圍內(nei) 工作的高性能 LNA 供應商均會(hui) 提供評估板或經過驗證的印刷電路板布局，因為(wei) 測試設置的每個(ge) 方麵都至關(guan) 重要，包括布局、連接器、接地、旁路和電源。沒有這些資源，設計人員就需要浪費時間來評估元器件在其應用中的性能。

基於(yu) GaAs 的 LNA 的一個(ge) 代表是 HMC519LC4TR。這是一種來自 Analog Devices 的 18 到 31 GHz pHEMT（假晶高電子遷移率晶體(ti) 管）器件（圖 2）。這種無引線 4×4 mm 陶瓷表麵貼裝封裝可提供 14 dB 的小信號增益，以及 3.5 dB 的低噪聲係數和+ 23 dBm 的高 IP3。該器件可從(cong) 單個(ge) +3 V 電源提取 75 mA 電流。

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

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

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

根據此增強原理圖生成評估板，詳細說明布局和 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(men) 必須捕獲的低電平信號，一個(ge) 詳細且經測試的評估設計至關(guan) 重要。其中包括一份原理圖（未顯示）、電路板布局(a) 和 BOM，及無源元器件和印刷電路板材料(b) 的細節。（圖片來源：Analog Devices）

MACOM MAAL-011111 是用於(yu) 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 的噪聲係數。此 LNA 表麵上是一個(ge) 單級器件，但其內(nei) 部實際有三個(ge) 級聯級。第一級針對低噪聲和中等增益進行了優(you) 化，後續級別提供額外增益。

圖 5：對用戶來說，MAAL-011111 LNA 表麵上是一個(ge) 單級放大器，但其內(nei) 部使用了一係列增益級，旨在大化輸入到輸出信號路徑 SNR，同時在輸出端增加顯著增益。（圖片來源：MACOM）

與(yu) Analog Devices 的 LNA 類似，MAAL-011111 隻需要一個(ge) 低壓電源，且尺寸僅(jin) 為(wei) 3×3 mm，極為(wei) 小巧。用戶可以通過將偏置（電源）電壓設置在 3.0 和 3.6 V 之間的不同值來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麵性能所需的關(guan) 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，同時提供輸入和輸出阻抗匹配。注意，對於(yu) 阻抗控製型傳(chuan) 輸線以及低阻抗地平麵，使用印刷電路板銅皮（尺寸以毫米為(wei) 單位）。（圖片來源：MACOM）

PA 驅動天線
與(yu) LNA 困難的信號捕獲挑戰相反，PA 則是從(cong) 電路中獲取相對強的信號，具有很高的 SNR，且必須用來提高信號功率。與(yu) 信號有關(guan) 的所有通用係數均已知，如幅值、調製、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(wei) 相關(guan) 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(jin) 次於(yu) 增益的又一關(guan) 鍵參數，但是使用模型、調製、占空比、允許失真度以及受驅信號的其它方麵會(hui) 使任何能效評估變得複雜。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(jue) 定的。線性度也是 PA 的關(guan) 鍵參數，與(yu) 在 LNA 一樣用 IP3 值判定。

盡管許多 PA 采用低功耗 CMOS 技術（最高約 1 至 5 W），但在最近幾年裏，其它技術業(ye) 已發展成熟並被廣泛應用，在考慮將能效作為(wei) 電池續航時間和散熱的關(guan) 鍵指標的更高功率水平的情況下，尤其如此。在需要幾個(ge) 瓦特或更高功率的情況下，采用氮化镓(GaN) 的 PA 在更高功率和頻率（典型值為(wei) 1 GHz）下具有更優(you) 的能效。尤其是考慮到能效和功率耗散時，GaN PA 具成本競爭(zheng) 力。

Cree/Wolfspeed CGHV14800F（1200 到 1400 MHz，800 W 器件）是新的一些基於(yu) GaN 的 PA 代表。這種 HEMT PA 的能效、增益和帶寬組合對脈衝(chong) L 波段雷達放大器進行了優(you) 化，使設計人員能夠在空中流量管製(ATC)、天氣、反導和目標跟蹤係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，並采用 10 ×20 mm 陶瓷封裝，帶有用於(yu) 冷卻的金屬法蘭(lan) （圖 7）。

圖 7：CGHV14800F 1200 至 1400 MHz，800 W，GaN PA 具有金屬法蘭(lan) 的 10 ×20 mm 陶瓷封裝必須同時滿足困難的射頻和散熱要求。出於(yu) 機械和熱完整性考慮，注意安裝法蘭(lan) 時將封裝旋緊（不焊接）到印刷電路板。（圖片來源：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(yu) LNA 一樣，評估電路和參考設計至關(guan) 重要（圖 8）。

圖 8：除了器件本身之外，為(wei) 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(guan) 鍵；考慮安裝完整性和熱目標，PA 通過封裝法蘭(lan) 以螺釘和螺母（在底部，不可見）固定到板上。（圖片來源：Cree/Wolfspeed）

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

圖 9：由於(yu) 其在輸送功率方麵的作用，需要 PA 降額曲線向設計人員顯示允許輸出功率隨著外殼溫度的升高而降低。這裏，額定功率在 115⁰C 之後迅速下降。（圖片來源：Cree/Wolfspeed）

MACOM 還提供了基於(yu) GaN 的 PA，例如 NPT1007 GaN 晶體(ti) 管（圖 10）。其直流至 1200 MHz 的頻率跨度適用於(yu) 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(hui) 發生器件退化。

圖 10：MACOM 的 NPT1007 GaN PA 跨越直流到 1200 MHz 的範圍，適用於(yu) 寬帶和窄帶射頻應用。設計人員通過各種負載拉伸圖獲得額外支持。（圖片來源：MACOM）

除了顯示 500、900 和 1200 MHz 時性能基礎的圖外，NPT1007 還支持各種“負載拉伸”圖，為(wei) 努力確保穩定產(chan) 品（圖 11）的電路和係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(yi) （頻譜分析儀(yi) 、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(wei) 所有相關(guan) 的元器件值可能由於(yu) 溫度變化或由於(yu) 圍繞其標稱值的公差帶內(nei) 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值（初始生產(chan) 公差以及熱漂移會(hui) 導致實際使用中出現這種情況）時顯示 PA 性能。（圖片來源：MACOM）

無論使用哪種 PA 工藝，器件的輸出阻抗均必須由供應商進行充分特征化，使設計人員能將該器件與(yu) 天線正確匹配，實現最大的功率傳(chuan) 輸並盡可能保持 SWR 一致。匹配電路主要由電容器和電感器構成，並且可實現為(wei) 分立器件，或者製造為(wei) 印刷電路板甚至產(chan) 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，是理解並進行必要的阻抗匹配的關(guan) 鍵。

鑒於(yu) PA 較小的芯片尺寸和較高的功率水平，封裝對 PA 來講是一個(ge) 關(guan) 鍵問題。如前所述，許多 PA 通過寬的散熱封裝引線和法蘭(lan) 支撐以及封裝下的散熱片散熱，作為(wei) 到印刷電路板銅皮的路徑。在較高功率水平（約高於(yu) 5 至 10 W），PA 可以有銅帽，使散熱器可以安裝在頂部，並且可能需要風扇或其它先進的冷卻技術。

GaN PA 相關(guan) 的額定功率和小尺寸意味著對熱環境建模至關(guan) 重要。當然，將 PA 本身保持在允許的情況或結溫範圍內(nei) 是不夠的。從(cong) PA 散去的熱量不能給電路和係統其它部分帶來問題。必須考慮處理和解決(jue) 整個(ge) 熱路徑。

總結
從(cong) 智能手機到 VSAT 端子和相控陣雷達係統等基於(yu) 射頻的係統正在推動 LNA 和 PA 性能的極限。這使得器件製造商不再局限於(yu) 矽，而是探索 GaAs 和 GaN 以提供所需的性能。

這些新的工藝技術為(wei) 設計人員提供了帶寬更寬、封裝更小、能效更高的器件。不過，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。

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