5G对对LNA性能的要求及解决方案

随着5G无线网络的发展，无线电前端的性能在RF接收器信号路径中越来越重要，特别是对于低噪声放大器（LNA）。随着LNA新工艺技术的出现，如硅锗（SiGe），砷化镓（GaAs）和绝缘体上硅（SOI），设计人员必须重新评估LNA参数的性能折衷，如噪声，灵敏度，带宽，有效地使用它们的能力。

前端的重要性不容小觑，因为它在很大程度上决定了弱信号情况和可实现的误码率的最终系统性能。如果LNA性能不足，那么在电路和接收通道管理方面的剩余设计工作将无法满足5G性能。

本文将讨论5G的状态及其对LNA性能的要求。然后，它将使用可以帮助满足这些要求以及如何充分利用这些要求的最新流程来引入解决方案。

500字以内的5G状态

高订单，但这里说：虽然5G规格已经完成，但它仍在进行中。 5G的许多期望功能仍有待最终确定，等待更多会议，现场试验以及组件供应商和无线运营商等的投入。

然而，一些问题已经很明确：5G设计虽然一些初始实施仍将低于6千兆赫兹（GHz），但它将占据电磁频谱的新区块。大多数5G系统将在毫米波段工作，美国有27-28和37-40 GHz频段。甚至有一些50 GHz以上的初步分配。由于技术挑战，第一个毫米波实现将在27 - 28 GHz频段。

LNA的具体作用

尽管5G规范允许多种调制选项，功率，数据速率和其他功能，其中大部分通常与接收通道LNA几乎没有关系。该组件必须完成一件事并做得很好：捕获并放大来自天线的弱噪声损坏信号，同时增加尽可能少的噪声。因此，开始仔细研究LNA本身而不必过多关注更高级别的规范问题是有意义的。

指定频段内可接受操作的主要LNA规范是噪声系数（ NF），这是LNA增加的固有噪声量。对于5G，特别是接近28 GHz，NF通常需要在1到3 dB之间，尽管在某些情况下可以接受一到两个dB。 （参见“我理解噪声系数，但噪声如何获得'温度'？”，以便更深入地讨论一些更常见的噪声因素。）增益通常需要在15到20 dB之间才能提升接收效果信号到一个可以通过后续放大器，滤波器和数字化处理的范围。

最后，输出1 dB压缩的线性度相关因子（称为OP1或P1dB）和输出3 rd 顺序截距（OIP3）需要分别至少为-20和-35 dBm。在较低的5G频段，这些要求对OP1和OIP3不太严格，前者为-20 dBm，后者为-10至-15 dBm。请注意，较大的负值表示优异的性能（-25 dBm优于-20 dBm），但许多数据表都会留下负号，这可能会引起混淆。

因为它们在功能上只是“简单”放大器，LNA有一个非常基本的框图 - 通常只是一个放大器三角形 - 并且只需要几个封装引脚，通常在六到八之间。这种简单性的结果是它们的封装很小，每边大约1到2毫米，而且很多都很小。

新工艺将LNA提升到5G

有许多高性能LNA适用于几GHz的较低频率（例如2.4 GHz和5 GHz频段），但它们不能满足5G前端的困难要求。由于硅基LNA似乎已达到其性能极限，因此正在使用更新的半导体材料和工艺来满足5G性能规格的苛刻要求。即使在较低的5G频段，标准硅也没有足够低的噪声系数和5G的足够OP1/OIP3额定值，与现有的无线标准相比，它具有更低的发射和接收信号电平。

由于这些原因，供应商在R＆amp; D上投入了大量资金，以及基于SiGe，SOI和砷化镓（GaAs）材料的新工艺的批量生产，这些材料提供更高的电子迁移率，更小的几何形状和更低的泄漏。

例如，使用SiGe工艺，英飞凌科技的BGA8U1BN6 LNA噪声系数仅为1.6 dB，OP1介于18和22 dBm之间，OIP3介于10和15 dBm之间。它的工作频率为4到6 GHz，增益为13.7 dB。

此外，BGA8U1BN6还具有省电功能，可以通过该功能进入旁路模式，只需通过输入以7.5 dB的插入损耗向输出发出信号（图1）。当接收信号强度很高时，此功能非常有用，因为它既可以防止后续阶段的过载，也可以通过2.8伏电源将LNA电源电流从大约20毫安（mA）降低到大约100微安（μA），节省了大量资金。

图1：英飞凌科技的SiGe BGA8U1BN6 LNA包括一个旁路模式，它将LNA从信号路径中取出;这样可以降低增益并防止后续阶段的过载和饱和，同时还可以降低电流要求。 （图片来源：Infineon Technologies）

Skyworks Solutions的SKY65806-636LF也提供旁路模式，这是一款3400至3800 MHz的SOI LNA。增益与英飞凌器件的增益相似，为13.6 dB，而噪声系数仅为1.2 dB。电源电压范围为1.6至3.3伏，工作电流仅为3.85 mA。与英飞凌的LNA一样，这款50ΩLNA包括用户控制的旁路功能。

ADI公司的ADL5724 LNA也采用SiGe工艺，工作频率为12.7 GHz至15.4 GHz（图2）。其100Ω平衡差分输出非常适合驱动差分下变频器和模数转换器。典型增益大于23.7 dB，而典型噪声系数在12.7 GHz时为2.1 dB，在15.4 GHz时为2.4 dB。

图2： ADI公司的SiGe ADL5724提供平衡差分输出，支持其与信号链下一级的信号完整性。 （图像来源：ADI公司）

由于许多LNA通常不会部署到稳定的温度环境中，因此ADL5724数据手册中包含了关键性能因素与温度的关系图（图3）。

图3：LNA的性能取决于温度，如下图所示：（a）增益和（b）噪声系数，两者与频率的关系， -40⁰C，+25⁰C，+85⁰C。注意当噪声系数随温度升高而增加时增益会降低。 （图像来源：ADI公司）

对于ADL5724，增益随温度略有下降，而噪声系数增加。无论过程如何，这种性能都是LNA的典型特征。设计人员需要在最坏情况下对信号链性能进行建模和仿真时考虑这些变化。

对于高动态范围和低噪声，MACOM Technology Solutions Holdings（MACOM）拥有MAAL-011078，高动态范围，GaAs，单级LNA，在2.6 GHz时具有仅0.5 dB的超低噪声系数。它还提供22 dB增益和33 dBm（OIP3）和17.5 dBm（P1dB）的高线性度。该IC覆盖700 MHz至6 GHz，还包括一个附加功能：集成有源偏置电路，因此用户可以通过外部电阻设置其偏置（工作点）电流。结果，用户可以定制功耗以适合应用。例如，选择稍微降低的性能以降低工作电流（图4）。

图4：来自MACOM的MAAL-011078允许用户设置LNA通过外部电阻偏置电流和工作点，从而降低OIP3（左）的变化工作电流，降低P1dB性能（右）与频率的关系。 （图片来源：MACOM）

充分利用5G LNA

一旦选择了合适的5G LNA，需要考虑一些因素和需要5G前端设计，以充分利用该LNA。由于工作频率超过5 GHz，10 GHz，除LNA本身外，还有五个主要因素需要考虑。

1：印刷电路板材料选择 - 在千兆赫范围内，传输线损耗在LNA输入和输出是一个主要因素。输入端尤其如此，因为那里的损耗降低了最大可实现的信噪比，并且还增加了LNA输出噪声。由于大多数设计中的传输线都是在印刷电路板本身上制成带状线，因此电路板必须由低损耗的介电材料制成。

单独使用普遍存在的FR4印刷电路板层压板是不够的，因此供应商提供了各种替代材料和层压板。一种广泛使用的电路板使用放置在FR4磁芯上的特殊层压板，为传输线提供稳定的损耗因子，但FR4的基础强度作为加强板。

请记住，在这些频率下，印刷电路板必须被视为电路设计中的另一个无源“元件”，具有所有其他无源元件的寄生效应。此外，必须考虑甚至微妙的因素，例如电路板的主要特性和寄生效应的温度系数。高性能印刷电路板材料的供应商提供此数据。

2：电容选择 - 输入和输出匹配电路必须使用高Q电容，以保持LNA的低噪声系数。低Q分量会使噪声系数降低0.2 dB至满dB。广泛使用的NPO电容具有低Q值和高损耗，因此应该避免。最高的Q电容器是基于瓷器的，但这些电容器很昂贵。根据性能和成本分析，可以找到一种快乐的媒介。

3：电源旁路 - 它广为人知，但经常被忽视，因此需要重复。在IC和其他地方仔细彻底地绕过电源DC对于确保稳定，一致的高频性能至关重要。所选的旁路电容应在最大化去耦性能所需的频率下具有最小阻抗。

例如，1000皮法（pF）电容不是高频去耦的理想选择。在5 GHz时，1000 pF电容的自谐振频率使其看起来像电感，因此实际上可能会对去耦产生反作用。相反，应在LNA附近放置一个小值电容（通常小于10 pF）。此外，该设计应包括使用1000 pF和0.01μF电容并联组合的传统低频去耦。这些不需要靠近LNA。

4：输入和输出匹配 - 虽然许多LNA的输入和输出具有50Ω阻抗，但有些则没有。即使它们这样做，驱动LNA的电路和LNA输出驱动的电路也可能不是50Ω。因此，必须使用史密斯圆图和用于建立适当匹配选项的S参数创建匹配电路。同样，在5G频率下使用的无功无源元件 - 电感器和电容器将具有各种类型的不可避免的寄生效应：内部，附近组件和印刷电路板。

设计师应该做三件事：选择在这些频率下设计用于低寄生效应的匹配元件;确保在元件放置的背景下完全表征不可避免的寄生效应;然后使用这些值对匹配电路进行建模并调整标称值。

5：电缆互连 - 某些5G安装需要超出印刷电路板及其带状线传输线的互连，而是需要物理电缆。如果使用差分接口 - 通常情况下保持电路平衡并且不易受噪声影响 - 这些有线互连可能需要具有理想相同传播特性的偏斜匹配电缆对。

因此，高5G频率达到40 GHz及以上的性能电缆通常具有与1 psec匹配的延迟。它们作为成对出售和使用，并且两条物理电缆包括“约束带”以使它们始终配对，因为它们不能单独安装或更换。使用这些电缆可以使差分电路在驱动信号链的下一级时实现高端LNA的性能。

结论

5G无线标准正在推动工作频率更高，进入数GHz和数十GHz范围。它还要求模拟电路具有更低的噪声/更低的失真性能，特别是低噪声放大器。 SiGe，SOI和GaAs等新的IC工艺技术正在满足这些需求。然而，由于在这些较高频率下对RF的现实的关注不足，可以降低优良LNA的性能。