应用于WiMAX的低噪声高线性度MMIC放大器

引言

Avago MGA-71543是一款内置旁路开关,SOT-343封装的GaAs MMIC低噪声放大器。器件工作在旁路模式时，其消耗电流为零，并保持输入输出近似相等。所以从放大器模式变成旁路模式时，使用同一匹配网络,电路不匹配达到最小。在放大器用于双工器、滤波器时，这一点尤为重要。

本文介绍了采用Avago Technologies MGA-71543应用于WiMax 3.5GHz 的单级反馈场效应晶体管放大器的设计。这个LNA可以用在移动接收机的前端，以低噪声放大信号。接收机收到的信号强度会随接收机距基站的距离而变化，在接收机距基站非常远时，LNA为较弱的接收信号提供了低噪声信号放大功能；在接收信号较强(距基站很近)时，这个LNA中内置旁路开关关断,可以衰减信号，以避免接收机后端过载。这个旁路开关的另一个优势是，在位于旁路模式时，电路功耗很低，这对延长移动接收机的电池时间至关重要。

图1 在低噪声优化中，输入匹配网络对S11的影响

偏置
这种低噪声放大器设计要求+3V DC的电压和10 - 11mA的电流。这一设计中使用源电阻器偏置方法，因为它只要求一个有效电源。LNA的电流取决于在针脚4上偏置电流使用的电阻器的值。在这一设计中，我们一直选择51欧姆0402电阻器，以把电流设置成大约10 - 11 mA。针脚3(RF 输入)使用并联电感器实现DC接地，而针脚1和针脚4则使用电容器实现RF 旁路，电容器拥有适当的值，保持设备稳定。在针脚2(RF输出)上应用3V的供电电压，偏置电线路进行RF 旁路。10欧姆电阻器放在偏置线上，以改善电路板的输出稳定性。(参见图2)

图2为MGA-71543在3.5 GHz 的LNA示意图

输入匹配

在3.5 GHz时，微带长度相对于相位变化的效应非常大，应考虑这种效应。因此，演示电路板上的元件位置非常重要，可以使用微带线参与电路匹配。图1说明了3.5GHz时MGA-71543的最优噪声匹配(_opt)以及输入匹配单元对S11的影响。为了优化设计，实现最佳噪声设计，并联电感、串联微带线和一段并联终端开路构成了输入匹配网络，其中50欧姆开路线将开路转换为所需阻抗实现接近_opt的阻抗。使并联电感器更接近针脚3 (即在第一个通孔上)，将改善输入回波损耗和增益。如果把针脚3与并联电感器的距离调节得更远一些(在第一个通孔和第二个通孔之间)，这可以稍稍改善3.5 GHz时的噪声系数(元件布局参见图4)。开路短线有助于把输入端口与_opt调节得更近，进一步改善噪声系数。

输出匹配

输出匹配电路由并联电容后接串联电感器组成。元件值使用ADS软件和板上调试结果确定。并联电容器距串联电感器的距离为70 mils (参见图3)。沿着微带线移动并联电容器可以改善输入或输出回波损耗。进一步加大并联电容器与MGA-71的距离，将改善输入回波损耗。

图3  使用MGA-71543的3.5 GHz LNA示意图 (无条件稳定)

示意图和元件布局

图2为MGA-71543在3.5 GHz 的LNA示意图。电路采用10 mil厚的RO4350B材料制成，这种材料的介电常数低(εr = 3.48)，在高频时提供了更好的性能。10 mil厚的RO4350B层压在FR4材料顶层，实现希望的机械强度。

旁路电容器的值及距源极引脚的距离将影响LNA的输入回波损耗、增益和稳定性。在工作频率上实现低阻抗的旁路电容器实现了更高的增益，但稳定性变差。建议该电容器上采用0402规格。C4、C5和R3应尽可能接近源极引脚,并使用寄生效应较少、尺寸较小的电容器有助于改善电路的稳定性。如图17所示。

电路板级RF性能和旁路模式

LNA在3.5 GHz时拥有>8 dBm的IIP3和12 dB的增益。通过去掉源偏置电阻器 (R3)，可以把LNA设置成旁路模式。在旁路模式下，插入损耗 (信号衰减)约为6 dB。

稳定性

为实现宽带无条件稳定，在LNA的输出上放置了一个8.2欧姆阻尼电阻器。修改后的示意图如图3所示。两个100pF 旁路电容器放在每条源导线上，改善了稳定性。

级联设计

内置旁路开关的LNA减少了外部电路的复杂度，降低了制造成本，缩小了电路板空间。此外，把带有旁路开关的两个LNA级联起来，可以控制接收机的增益状态。如下图所示，把两个MGA-71543级联起来，将把放大器转换成3种不同的模式，即高增益模式、中等增益模式和旁路模式。

图4    演示电路板上的元件位置

图5  演示电路板上的元件位置(无条件稳定)

在把第一阶段放大器和第二阶段放大器都设置成放大器模式时，这种组合的放大器将实现高增益和低噪声。如图3所示，把两个无条件稳定LNA级联起来，而不需重新级间匹配电路，将得到3.5GHz时>21dB 增益和大约1.2 dB噪声系数的放大器。输入和输出回波损耗超过10dB，工作电流约为21 mA。

在进入信号较强而不需要高增益时，可以把第二阶段放大器设置成旁路模式。这有助于保持交调性能，降低功耗，在这种模式下，吸收的总电流约为10 mA。对较强的接收信号，把LNA的两个阶段都置于旁路模式可以衰减信号，避免以后阶段发生过载。