无线设计中LNA和PA的基本原理

2017-10-24 14:34:57 post by microhm

性能,微型化和更高频率运行的推动正在挑战无线系统的两个关键天线连接元器件的限制:功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)使5G成为现实的努力,以及PA和LNA在VSAT端子,微波无线电链路和相控阵雷达系统中的使用促成了这种转变。


这些应用的要求包括较低噪声(对于LNA)和较高能效(对于PA)以及在高达或高于10 GHz的较高频率下的运行。为了满足这些日益增长的需求,LNA和PA制造商正在从传统的全硅工艺转向用于LNA的砷化镓(GaAs)和用于PA的氮化镓(GaN)。


LNA的灵敏作用

LNA的作用是从天线获取极其微弱的不确定信号,这些信号通常是微伏数量级的信号或者低于-100 dBm,然后将该信号放大至一个更有用的水平,通常约为0.5到1 V图1)。具体来看,在50Ω系统中10μV为-87 dBm,100μV等于-67 dBm。


利用现代电子技术可以轻松实现这样的增益,但LNA在微弱的输入信号中加入各种噪声时,问题将远不是那么简单.LNA的放大优势会在这样的噪声中完全消失。

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注意,LNA工作在一个充满未知的世界中。作为收发器通道的前端,LNA必须能捕捉并放大相关带宽内功耗极低的低电压信号以及天线造成的相关随机噪声。在信号理论中,这种情况称作未知信号/未知噪声难题,是所有信号处理难题中最难的部分。


LNA的主要参数是噪声系数(NF),增益和线性度。噪声来自热源及其噪声源,噪声系数的典型值为0.5 - 1.5 dB。单级放大器的典型增益在10 - 20 dB之间。一些设计采用在低增益,低NF级后加一个更高增益级的级联放大器,这种设计可能达到较高的NF,不过一旦初始信号已经“增大”,这样做就变得不那么重要。


LNA的另一个问题是非线性度,因为合成谐波和互调失真可以接收到的信号质量恶化,在位误差率(BER)相当低时使得信号解调和解码变得更加困难。阶段调调点(IP3)作为线性度的特征化参数,将三线非线性项引起的非线性乘积与以线性方式放大的信号关联在一起; IP3值越高,放大器性能的线性度越好。


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功能和能效在LNA中通常不属于首要问题。本本质而言,绝大多数LNA是功耗相当低且电流消耗在10 - 100 mA之间的器件,它们向下一级提供电压增益,但不会向负载输送功率。此外,系统中仅采用一个或两个LNA(后者常用于Wi-Fi和5G等接口的多功能天线设计中),因此通过低功耗LNA节能的意义不大。


除工作频率和带宽外,各种LNA相对来讲在功能上非常相似。一些LNA还具有增益控制功能,因此能够应付输入信号的宽动态范围,而不会出现过载,饱和。在基站至手机通道损耗范围宽的移动应用中,输入信号强度变化范围如此之宽的情况会经常遇到,即使单连接循环也是如此。


PA驱动天线


与LNA困难的信号捕获挑战相反,PA则是从电路中获取相对强的信号,具有很高的SNR,必须用来提高信号功率。与信号有关的所有通用系统均已知,如幅值,调制,波形,占空比等。这就是信号处理图中的已知信号/已知噪声象限,是最容易应对的。


PA的主要参数为相关频率下的功率输出,其典型增益在+10至+30 dB之间。能效是PA参数中仅次于增益的又一关键参数,但是使用模型,调制,占空比,允许失真度以及受驱信号的其它方面会使用任何能效评估变得复杂.PA的能效在30到80%之间,但这在很大程度上是由多种因素决定的。线性度也是PA的关键参数,与LNA一样用IP3值判定。


尽管许多PA采用低功耗CMOS技术(最高约1至5 W),但在最近几年里,其它技术业已发展成熟并被广泛应用,在考虑将能效作为电池续航时间和散热的关键指标的更新高效率水平的情况下,尤其如此。在需要几个瓦特或更高功率的情况下,采用氮化镓(GaN)的PA在更高功率和频率(典型值为1 GHz)下具有更优能效。尤其是考虑到能效和功率耗散时,GaN PA极具成本竞争力。

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无论使用哪种PA工艺,器件的输出阻抗均必须由供应商进行充分特征化,使设计人员能将该器件与天线正确匹配,实现最大的功率传输并尽可能保持SWR一致。匹配电路主要由电容器和电感器构成,并且可实现为分立器件,或者制造为印刷电路板甚至产品封装的一部分。其设计还必须维持PA功率水平。再次重申,史密斯圆图等工具的使用,是理解并进行必要的阻抗匹配的关键。


鉴于PA较小的芯片尺寸和较高的功率水平,封装对PA来说是一个关键问题。如前所述,许多PA通过宽的散热封装引线和法兰支撑以及封装下的散热片散热,作为在较高功率水平(约高至5至10 W),PA可以有铜帽,使散热器可以安装在顶部,并且可能需要风扇或其它先进的冷却技术。


当然,PA本身保持在允许的情况或结温范围内是不够的。从PA散去的热量不能给电路和系统其它部分带来问题。必须考虑处理和解决整个热路径。


从智能手机到VSAT端子和相控阵雷达系统等基于射频的系统正在推动LNA和PA性能的极限。这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。


这些新的工艺技术为设计人员提供了带宽更宽,封装更小,能效更高的器件。不过,设计人员需要了解LNA和PA运行的基础知识,才能有效地应用这些新技术。


(文章来源:EET电子技术设计)


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标签:   LNA PA 电阻 天线连接元器件