超低噪声LNA满足3G/4G应用需求

2010年01月05日 15:01    贾延安
关键词: LNA , 低噪声 , 需求 , 应用
下一代通信接收机必须在很宽的带宽上提供更好的灵敏度和动态范围,因此,接收机需要依靠低噪声放大器(LNA) 在较宽的频带上提供更高的增益和线性度。这些高性能LNA可以充分利用砷化镓(GaAs)伪形态高电子迁移率晶体管(PHEMT)和硅锗(SiGe)异质结双极晶体管(HBT)的最新研究成果。传统放大器供应商和非传统放大器供应商,都对新型LNA表示了浓厚的兴趣,期望借助这些LNA满足众多应用提出的超低噪声要求。这些应用包括GPS接收器、3G/4G蜂窝基站接收器、无线局域网(WLAN)、卫星通信系统和其它微波与毫米波通信系统等。

例如,模拟与混合信号半导体供应商Skyworks Solutions公司就利用最新的PHEMT7技术开发出可用于最新超低噪声放大器的耗尽型和增强型PHEMT(D-PHEMT和E-PHEMT)器件。该公司还利用第三方代工厂生产SiGe器件。这些SiGe器件主要用于那些要求电流非常低和集成式LNA解决方案的应用。最先推出的PHEMT是耗尽型晶体管,增强型器件计划在2010年晚些时候发布。

此外,Skyworks还成功设计出分立式PHEMT器件和集成式多级单片微波集成电路(MMIC)。该系列的第一个产品是覆盖850MHz至6GHz频率范围的分立型低噪声N沟道D-PHEMT晶体管。在2.4GHz频率上,SKY65050-372LF晶体管可以提供1dB压缩点+8dBm的输出功率、+20dBm的第三阶截取点输出功率和0.4dB的噪声指数。它在2GHz频率下可提供16dB的增益和0.4dB的噪声指数。SKY65052-372LF是具有更大裸片尺寸和更大功率的一款产品,覆盖频率范围是 450MHz至6GHz。这款器件可以提供1dB压缩点+19dBm的输出功率,在2.4GHz频率可提供0.85dB的噪声指数、+34dBm的三阶截取点输出功率和16dB的增益。它在采用3V电源工作时电流为16mA。

针对市场对集成方案的需求,Skyworks提供带集成式级间匹配网络的两级LNA(图1)。SKY65037-360LF和SKY65040-360LF就是这种LNA产品,它们均采用Skyworks 公司先进的PHEMT工艺制造。据Skyworks的产品营销经理Alan Miller介绍,这些器件具有不到1dB的噪声指数,而且允许设计师在不降低噪声指数的情况下调节电流和增益。例如,SKY65037-360LF在 900MHz频率点具有0.6dB的噪声指数,同系列产品SKY65040-360LF在1.95GHz点具有0.65dB的噪声指数。

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虽然SKY65037-360LF覆盖0.7GHz至1.2GHz频带,但SKY65040-360LF的工作频率是从1.5GHz至2.4GHz。通过调节供电电流(从30mA至100mA),SKY65037-360LF在900MHz处的增益可以在15dB至25dB范围内变化。 SKY65037-360LF的其它特性包括在900MHz频率处具有1dB压缩点+18dBm的输出功率、65mA电流时+32dBm的三阶截取点输出功率。通过调节供电电流(从30mA至100mA),SKY65040-360LF在1.95GHz处的增益也可以在15dB至25dB范围内改变。 SKY65040-360LF在65mA电流时可提供+34.5dBm的三阶截取点输出功率,在1.95GHz处可提供1dB压缩点+16dBm的输出功率。

针对移动通信应用,安华高科技(Avago Technologies)公司推出了覆盖1.5GHz至8.0GHz频率范围的集成式GaAs宽带LNA MMIC。这款型号为MGA-21108的器件采用0.25μm工艺、第三代E-PHEMT技术,工作电压为1.4V至3.3V,额定电流为18mA。它的噪声指数只有1.5dB至2.8dB,增益可达18.7dB至10.7dB。

针对噪声指数小于1dB、增益和线性度更高的应用,安华高采用了具有有源偏置电路的两级平衡式配置。比如MGA-13516和MGA-14516 LNA,它们采用0.25μm E-PHEMT技术实现,分别覆盖400MHz至1.5GHz和1.4GHz至2.7GHz频率范围。这些LNA可提供0.66dB的噪声指数和 31.8dB的增益,三阶截取点输出功率为+38dBm。这两个器件在1dB增益压缩点的额定输出功率是+23.5dBm。

如果需要0.5dB甚至更好的噪声指数,安华高提供封装相同的两个平衡的低噪声E-PHEMT晶体管。在相同封装中封装了两个平衡的低噪声E-PHEMT晶体管。配对的MGA-16516在850MHz处可提供0.45dB的噪声指数和17.5dB的增益。MGA-16516覆盖700MHz至1.7GHz 频率范围,MGA-17516覆盖1.7GHz至2.7GHz范围。可工作于更高频率的MGA-17516在1.85GHz处具有0.52dB的噪声指数和17.2dB增益,此外它还能提供+13.7dBm的三阶截取点输入功率和1dB压缩点+21.5dBm的输出功率。而MGA-16516只能提供+11.5dBm的三阶截取点输入功率,在1dB压缩点的输出功率为+18dBm。

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针对无线基础设施应用而采用集成策略的公司还有Mimix Broadband。该公司采用E-PHEMT工艺技术成功开发出带片上集成式有源偏置电路的MMIC LNA产品(图2)。据该公司的产品经理Amer Droubi透露,XG1015-SE将是该系列产品中的第一个成员,定于今年下半年发布。XG1015设计频率覆盖范围从100MHz至 3500MHz,噪声指数小于1dB,在2GHz处的三阶截取点输出功率超过+34dBm。虽然与分立器件相比,该器件的噪声指数稍大,但Droubi声称,XG1015-SE容易使用,并且采用单电源供电,片上集成式有源偏置电路允许直接连接3V电源。这个LNA在900MHz点的增益为19dB,在+3V直流电源下,1dB压缩点的输出功率为+18.5dBm。

同样,Hittite Microwave公司也已推出一款覆盖14GHz至27GHz频率范围的宽带GaAs MMIC LNA产品HMC504LC4B。这个器件具有19dB的小信号增益,噪声指数是2.2dB,三阶截取点输出功率为+26dBm,在4V电源电压下仅消耗 90mA电流。HMC504LC4B可以用作平衡式同相/正交(I/Q)或图像抑制混频器的本振(LO)驱动器,在1dB压缩点的输出功率为+17dBm。

RF Micro Devices(RFMD)公司是另外一家为无线应用提供高增益和高线性度LNA的制造商。这家公司采用E-PEMT技术和集成式单片阻抗匹配方法成功推出一款低于1dB噪声指数、三阶截取点输出功率超过+40dBm的产品。该公司还在进一步改进PHEMT技术,以便开发出噪声指数低于0.5dB、覆盖频率范围相同且高线性度的LNA。RFMD工程技术总监Terry Hon表示,通过整合更短栅极长度的E-PHEMT工艺和先进拓扑技术,RFMD已经成功实现了在900MHz处的噪声指数仅为0.6dB。去年,RFMD公司发布了噪声指数小于0.75dB、2GHz处的三阶截取点输出功率超过+40dBm的SPF5122Z。该器件工作频率范围从50MHz 至4000MHz,在1,900MHz处的1dB压缩点的输出功率为23.4dBm,在900MHz处可提供18.9dB的增益。这个LNA器件内部已进行了50Ω的匹配,使用3V至5V单电源工作,工作电流为90mA。该公司还发布了在5V电源下电流为46mA的另外一个低功率版本器件 SPF5043Z,它在50MHz至4000MHz频率范围内具有相似的性能。

通过充分利用GaN HEMT带来的好处,RFMD公司正致力于满足下一代多载波基站提出的宽带、超低噪声和高线性度要求。去年在美国加州蒙特利举办的化合物半导体芯片 (CSIC)大会上,RFMD开发人员与Northrop Grumman合作演示了在2GHz至8GHz范围内低于0.2dB的噪声指数和超过2W的输出功率。然而,为了使基于GaN-HEMT的全匹配MMIC LNA达到这个指标,放大器必须冷却到-30℃。

在今年早些时候,RFMD推出了一款基于GaAs-PHEMT的GPS LNA。它在多芯片模块中包含了集成式声表面波(SAW)滤波器和支持元件。据RFMD公司透露,RF2815已被台湾的一家制造商用于CDMA智能手机。

同样提供具有低噪声指数和高增益的陶瓷滤波式GPS LNA的公司是Spectrum Microwave。这些表面贴封装的小型LNA,在1,575.42MHz处具有超过35dB的带外抑制性能,允许设计师选择26、32或38dB的增益等级,同时能保持1.8dB的低噪声指数。这款带滤波器的LNA专门针对高可靠性应用而设计,工作电压从5V至32V,电流消耗仅77mA。

超低噪声也是Mini-Circuits公司产品的一个显著优势。最新产品TAMP-960LN+具有0.55dB的噪声指数、18dB的增益和 16.5dBm的输出功率。以大批量蜂窝应用为目标的TAMP-960LN+,覆盖824MHz至960MHz的频率范围。致力于提高微波和毫米波LNA 性能的其它公司还包括B&Z Technologies、Endwave Corp.、HXI Millimeter Wave和M/A-COM Technologies。例如B&Z Technologies公司演示的低损耗波导输入LNA就适用于覆盖S、C、X、Ku和Ka波段的卫星通信应用。这些LNA采用同轴输出,匹配50Ω阻抗。通过在波导本身中技巧性地整合噪声匹配电路和阻抗变换器,基于GaAs-HEMT的这些最新波导输入多级LNA可直接连接天线(图3)。因此,B&Z Technologies公司总裁、创始人Javed Siddiqui表示,在波导与LNA增益级之间的接口与天线之间的损耗达到了最小。

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BZW- 07250775-是B&Z Technologies公司BZW112-1系列产品中的一员。该产品在7.25GHz至7.75GHz之间具有0.6dB的噪声指数和34dB的典型增益。这个LNA通常可提供±0.5dB的增益平坦度,群时延是±10ps,1dB压缩点的额定输出功率是+10dBm。它采用单+12V供电,最大电流消耗是120mA。

Renaissance Electronics公司的子公司HXI Millimeter Wave Products,采用GaAs MMIC成功开发出频率范围从50GHz至65GHz的LNA HLNAV-364。这个器件可提供至少25dB的小信号增益和±2dB的增益平坦度,噪声指数是5dB。虽然输入功率最大为-10dBm,但该器件在 1dB压缩点的典型输出功率可达+13dBm。这个LNA的典型功率要求,在+6.5V直流电源时为275mA。HLNAV-64完全匹配该公司WR- 15波导至同轴适配器的频率范围,因此非常适合宽带测试装置使用。HXI Millimeter Wave Products公司还提供更高增益版本的产品。

表:主要供应商的超低噪声GaAa MMIC放大器性能表。
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作者:Ashok Bindra
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