如何使放大器达到低噪声？

5G 很多令人向往的特性尚待定夺，还需要更多的会议探讨和现场试验，并征求元器件供应商和无线运营商的意见。

不过，一些问题已经昭然若揭：5G 设计将会占用新的电磁波谱块，但一些初始实施仍将低于 6 千兆赫 (GHz)。大多数 5G 系统将在毫米波频带运行，在美国可使用 27 到 28 GHz 和 37 到 40 GHz 频带。一些初步分配的频带甚至高于 50 GHz。由于存在技术挑战，第一批毫米波实施将使用 27 到 28 GHz 频带。

LNA 的具体作用

尽管 5G 规格提供了很多调制、功率、数据速率选项及其他一些功能，但通常它们大多与接收通道 LNA 关系不大。此元器件必须胜任一项任务，即捕获并放大来自天线且被噪声破坏的微弱信号，同时尽量减少增加的噪声。因此，仔细研究 LNA 本身，而不是过度关注持续演化的更高层面的规格问题，才是明智之举。

要在指定频带内实现可接受的运行，主要的 LNA 规格是噪声系数 (NF)，即由 LNA 增加的固有噪声量。对于 5G，尤其是接近 28 GHz 频带时，NF 通常需要介于 1 到 3 dB 之间，某些情况下，再高 1 到 2 dB 的噪声也是可以接受的。通常需要介于 15 到 20 dB 之间的增益，才能将收到的信号升压到可被后续的放大器、滤波器和数字化正确处理的范围。

最后，1 dB 输出压缩点(被称为 OP1 或 P1dB)和输出三阶交调点 (OIP3) 的线性度相关系数分别需要至少为 -20 和 -35 dBm。在更低的 5G 频带，对于 OP1 和 OIP3 的这些要求则不那么严格，其中 OP1 为 -20 dBm 范围内，OIP3 为 -10 到 -15 dBm。请注意，负值越大，表示性能越高(-25 dBm 要优于 -20 dBm)，但很多规格书会省略负号，这样会造成混淆。

从功能上看，LNA 只是很“简单”的放大器，具有非常基本的框图 - 通常只是一个放大器三角形 - 而且只需要几条封装引线(通常是 6 到 8 条)。这种简化设计的结果是，它们的封装很小，每侧的尺寸约为 1 到 2 毫米，很多封装的尺寸甚至更小。

新工艺推动 LNA 向 5G 应用迈进

许多高性能 LNA 专为几 GHz 的低频率(例如 2.4 GHz 和 5 GHz 频带)量身定制，但它们不符合 5G 前端的严格要求。由于硅基 LNA 似乎已经达到它们的性能极限，因此各厂商纷纷使用更新的半导体材料和工艺来满足多种 5G 性能规格的严格要求。即使在较低的 5G 频带，标准硅也不具备足以满足 5G 要求的低噪声系数和高 OP1/OIP3 等级，因为它的发送和接收信号电平要低于现有的无线标准。

由于这些原因，供应商在基于 SiGe、SOI 和砷化镓 (GaAs) 材料的新工艺的研发和量产方面投入巨资，因为这些新工艺可提供更高的电子迁移率、更小的几何尺寸和更少的泄漏。

例如，Infineon Technologies 的 BGA8U1BN6 LNA 采用 SiGe 工艺，噪声系数仅为 1.6 dB，其 OP1 介于 18 到 22 dBm 之间，OIP3 介于 10 到 15 dBm 之间。它在 4 到 6 GHz 的频带运行，增益为 13.7 dB。

此外，BGA8U1BN6 还提供了省电功能，激活此功能后，它可以进入旁通模式，只需要将输入信号传递到输出便可，插入损耗仅为 7.5 dB(图 1)。当接收的信号强度较高时，此功能非常有用，因为它既能防止下一级过载，还能将 2.8 伏电源的 LNA 供电电流从大约 20 毫安 (mA) 减小至大约 100 微安 (?A)，实现大幅的能耗节省。

Infineon Technologies 的 SiGe BGA8U1BN6 LNA 包含旁通模式，此模式将 LNA 从信号路径中剔除;这样既减小了增益，防止后续各级出现过载和饱和，同时还降低了电流要求。(图片来源：Infineon Technologies)

Skyworks Solutions 的 SKY65806-636LF 也提供了旁通模式，是适用于 3400 到 3800 MHz 频带的 SOI LNA。它的增益与 Infineon 器件的增益相似，约为 13.6 dB，但噪声系数仅为 1.2 dB。电源电压范围为 1.6 到 3.3 伏，工作电流仅为 3.85 mA。与 Infineon 的 LNA 一样，这个电阻为 50 Ω 的 LNA 包含用户控制的旁通功能。

Analog Devices 推出的 ADL5724 LNA 也采用了 SiGe 工艺，可在 12.7 GHz 到 15.4 GHz 的频带运行(图 2)。其 100 Ω 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，典型噪声系数在频率为 12.7 GHz 和 15.4 GHz 时分别为 2.1 dB 和 2.4 dB。

Analog Devices 的 SiGe ADL5724 提供平衡差分输出，此输出可支持在该器件与下一级信号链之间实现增强的信号完整性。(图片来源：Analog Devices)

鉴于很多 LNA 通常不会部署到稳定的温度环境中，因此 ADL5724 规格书附上了关键性能系数与温度的关系图(图 3)。

-40?C、+25?C 和 +85?C 温度下的 (a) 增益和 (b) 噪声系数与频率的关系图，可见 LNA 的性能取决于温度。请注意在噪声系数随着温度的升高而增大时，增益是如何减小的。(图片来源：Analog Devices)

对于 ADL5724，增益会随着温度的升高而稍稍减小，噪声系数则会随着温度的升高而增大。这是 LNA 的典型表现，与工艺无关。设计人员需要在最坏情况建模和信号链性能模拟中考虑到这些变化。

为实现高动态范围和低噪声，MACOM Technology Solutions Holdings (MACOM) 推出了 MAAL-011078，这是一种具有高动态范围和超低噪声系数的 GaAs 单级 LNA，其 2.6 GHz 频率下的噪声系数仅为 0.5 dB。它还提供了 22 dB 的增益以及 33 dBm (OIP3) 和 17.5 dBm (P1dB) 的高线性度。这款 IC 涵盖了 700 MHz 到 6 GHz 频带，还具有一项额外特性：集成式有源偏置电路，因此用户可通过外部电阻器设置自己的偏置(工作点)电流。这样，用户就能定制功耗以满足应用需求。例如，针对较低的工作电流选择较低的性能(图 4)。

用户可利用 MACOM 的 MAAL-011078，通过外部电阻器来设置 LNA 偏置电流和工作点，藉由减小工作电流实现 OIP3 相对频率的变化(左侧)和 P1dB 性能相对频率的下降(右侧)。(图片来源： MACOM)

让 5G LNA 发挥最大效用

在为 5G 选择合适的 LNA 之后，要实施 5G 前端设计，还需要考虑一些注意事项和通融措施，以便让 LNA 发挥最大效用。随着工作频率跨越 5 GHz、10 GHz，除了 LNA 自身之外，还需要考虑五个重要因素。

1：选择 PC 板材料 - 在千兆赫范围内，LNA 输入和输出的传输线路损耗是一个重要因素。在输入端尤其如此，因为输入端的传输线路损耗会降低可实现的最大信噪比，还会增大 LNA 的输出噪声。由于大多数设计中的传输线路都是作为带状线制作到 PC 板本身，因此电路板必须由低损耗的介电材料制成。

仅仅使用通用的 FR4 PCB 层压板不足以保证这一点，因此供应商提供了多种替代材料和层压材料。其中一种广泛使用的电路板是在 FR4 核心上放置一种特殊的层压材料，使传输线路具有稳定的损耗系数，并具有 FR4 加强板的基本强度。

请记住，在这些频率下，必须将 PC 板视为电路设计中的另一个无源“元器件”，具有所有其他无源元器件一样的寄生效应。此外，还必须考虑一些细节问题，例如电路板主要特征的温度系数及其寄生效应。高性能 PC 板材料的供应商会提供这些数据。

2：选择电容器 – 对于输入和输出匹配电路，必须使用高 Q 值电容器，以降低流入和流出 LNA 的噪声系数。低 Q 值元器件会导致噪声系数降级 0.2 dB 到 1 dB 不等。广泛使用的 NPO 电容器具有较低的 Q 值和较高的损耗，因此应避免使用。陶瓷电容器具有最高 Q 值，但它们价格昂贵。依靠性能和成本分析，可以找到一种满意的折中方案。

3：电源旁路 - 这一点虽然众所周知，但经常被忽视，因此值得再三强调。必须细致、周到地在 IC 和其他位置实现直流电源旁路，以确保稳定、一致的高频性能。所选的旁路电容器在所需的频率下应具有最低阻抗，以实现最高的去耦性能。

例如，要进行高频去耦，1000 皮法 (pF) 的电容器并不是一个合适的选择。在 5 GHz 频率下，1000 pF 电容器的自谐振频率会让它看起来像个电感器，因此实际上可能与去耦的目的背道而驰。相反，应在靠近 LNA 的位置放置一个具有较小电容(通常小于 10 pF)的电容器。此外，设计中还应包含采用 1000 pF 与 0.01 ?F 电容器并联组合的传统低频去耦功能。这些电容器不需要置于 LNA 的附近。

4：输入和输出匹配 - 尽管很多 LNA 的输入和输出具有 50 Ω 的阻抗，但有些 LNA 并非如此。即使它们具有 50 Ω 的阻抗，驱动 LNA 的电路和 LNA 输出所驱动的电路也可能不具备 50 Ω 的阻抗。因此，必须使用史密斯圆图创建匹配的电路，并使用 S 参数确立适当的匹配选项。同样，在 5G 频率下使用的无功无源元器件(电感器和电容器)会不可避免地产生各种类型的寄生效应：内部、附近的元器件上以及 PC 板上。

设计人员应当做到三点：选择为在这些频率下抑制寄生效应而设计的匹配元器件;确保在贴装元器件时将不可避免的寄生效应充分特征化;以及使用这些值对匹配电路进行建模并据此调整标称值。

5：电缆互连 - 有些 5G 系统需要在 PC 板及其带状线传输线路之外进行互连，因此需要使用物理电缆。如果使用了差分接口(通常采用这种方法保持电路平衡和提高噪声抗扰度)，这些电缆互连可能需要使用时延匹配电缆对，而且两根电缆最好具有相同的传播特征。

因此，用于 5G 到 40 GHz 及更高频率的高性能电缆往往可将其延迟匹配至 1 psec(微微秒)。它们成对出售和使用，而且因为无法单独安装或更换，两根物理电缆都带有“箍带”，使其始终保持配对状态。利用这些电缆，差分电路可以在驱动下一级信号链时实现高端 LNA 的性能。