充分利用 5G LNA 的特殊製程

隨著 5G 無線網路技術的發展，無線電前端元件的效能在 RF 接收器訊號路徑中越來越重要，在低雜訊放大器 (LNA) 的應用更是如此。而且隨著矽鍺 (SiGe)、砷化鎵 (GaA) 和絕緣層覆矽 (SOI) 等 LNA 新製程技術的出現，設計人員必須重新評估 LNA 參數 (例如雜訊、靈敏度、頻寬以及可有效使用的功率) 的效能權衡。

前端元件的重要性不容小覷，可在訊號微弱的情況下以及可達到的位元錯誤率方面，明顯決定最終的系統效能。如果 LNA 效能低落，那麼電路和接收通道管理中為了滿足 5G 效能而進行的其餘設計巧思將派不上用場。

本文將探討 5G 技術現況及其對 LNA 效能的要求。接著會介紹採用最新製程來協助滿足這些要求的解決方案，並說明如何充分利用這些解決方案。

5G 技術的現況概述

挑戰艱鉅、任重道遠：5G 技術規格雖已定案，但仍待完善。許多令人夢寐以求的 5G 功能仍有待最終確定，還需舉行更多會議、進行實地試驗，並需要元件廠商和無線通訊業者等提供意見。

然而，有些問題業已明朗：5G 設計將佔用新的電磁頻譜區塊，但部分初步實作仍將低於 6 GHz 。絕大多數 5G 系統將以毫米波頻段運作，在美國可用 27 至 28 GHz 以及 37 至 40 GHz 的頻段。初步分配的頻段有些甚至高於 50 GHz。礙於技術難題，第一批毫米波實作將在 27 至 28 GHz 頻段運作。

LNA 的具體作用

儘管 5G 規格支援眾多的調變、功率、數據傳輸率選項以及其他功能，但絕大多數都與接收頻道 LNA 無關。此元件必須做好一件事：針對來自天線的微弱、受雜訊損毀的訊號進行擷取並放大，同時盡可能只附加最少的雜訊。因此，較有意義的做法是開始密切關注 LNA 本身，而不要過於關注高階規格問題，因為規格會繼續演變。

可接受在指定頻段中操作的主要 LNA 規格為雜訊指數 (NF)，這是指 LNA 附加的固有雜訊量。對於 5G 而言 (特別是接近 28 GHz 的情況)，NF 通常必須在 1 至 3 dB 之間，但在某些情況下可以接受高出一兩個 dB。(如要進一步探討一些最常見的雜訊因素，請參閱《我瞭解雜訊指數，但雜訊何以會有『溫度』？》。)增益通常必須在 15 至 20 dB 之間，才能將接收到的訊號增強至可供後續放大器、濾波器和數位化工作適當處理的範圍。

最後，輸出 1 dB 壓縮 (稱為 OP1 或 P1dB) 以及輸出三階截斷 (OIP3) 的線性相關因素，分別需要至少為 -20 和 -35 dBm。在較低的 5G 頻段下，這些要求對於 OP1 和 OIP3 不那麼嚴格，前者為 -20 dBm，後者為 -10 至 -15 dBm。請注意，負值越大代表效能越優異 (-25 dBm 比 -20 dBm 優異)，但許多規格書都會省略負號，這可能會造成混淆。

由於 LNA 在功能上只是「簡易型」放大器，因此僅具備基本的方塊圖 (通常僅為一個放大器三角形)，並且只需要幾個封裝引線 (通常為六至八個)。由於設計簡單，因此封裝尺寸小巧，每邊僅約 1 至 2 mm，而且不少尺寸更小。

新製程推動 LNA 邁向 5G

有許多高效能 LNA 專為數 GHz (如 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段) 的較低頻率而打造，無法滿足 5G 前端元件的嚴格要求。由於矽基 LNA 似已達到效能極限，因此業界紛紛採用較新的半導體材料和製程來滿足 5G 效能規格的苛刻要求。與現有無線標準相比，標準矽晶的發射和接收訊號位準較低，即使在較低的 5G 頻段，也沒有夠低的雜訊指數以及足夠的 OP1/OIP3 額定值可符合 5G 要求。

基於上述原因，眾廠商已經大力投資研發，並開始量產基於 SiGe、SOI 和砷化鎵 (GaA) 材料的新製程。這些材料可提供較高的電子遷移率、較小的幾何結構，以及更低的洩漏。

例如，Infineon Technologies 的 BGA8U1BN6 LNA 就採用 SiGe 製程，雜訊指數僅有 1.6 dB，OP1 介於 18 至 22 dBm 之間，OIP3 介於 10 至 15 dBm 之間。此元件在 4 至 6 GHz 的範圍運作，增益為 13.7 dB。

此外，BGA8U1BN6 還具有省電功能，可引導進入旁路模式，此模式單純將輸入訊號傳遞至輸出，且插入損耗為 7.5 dB (圖 1)。接收訊號強度高時，此功能非常有用，既可防止後續階段過載，亦可透過 2.8 V 電源將 LNA 供應電流從大約 20 mA 降低到大約 100 µA，因此可明顯省電。

圖 1：Infineon Technologies 的 SiGe BGA8U1BN6 LNA 包含旁路模式，可將 LNA 移出訊號路徑；此功能可降低增益，避免後續階段發生過載和飽和，同時還可降低電流需求。(圖片來源：Infineon Technologies)

Skyworks Solutions 的 SKY65806-636LF 亦提供旁路模式。此元件屬於 SOI LNA，適用於 3400 至 3800 MHz。其增益與 Infineon 元件的增益相似，為 13.6 dB，雜訊指數僅有 1.2 dB。電源電壓範圍為 1.6 至 3.3 V，工作電流僅有 3.85 mA。與 Infineon 的 LNA 一樣，這款 50 Ω 的 LNA 包含使用者控制的旁路功能。

Analog Devices 的 ADL5724 LNA 亦採用 SiGe 製程，工作頻率為 12.7 GHz 至 15.4 GHz (圖 2)。其具備 100 Ω 的平衡差動輸出，非常適合驅動差動降頻轉換器以及類比數位轉換器。其典型增益大於 23.7 dB，典型雜訊指數為 2.1 dB (12.7 GHz 時) 和 2.4 dB (15.4 GHz 時)。

圖 2：Analog Devices 的 SiGe ADL5724 提供平衡差動輸出，可在元件本身與訊號鏈下一階段之間支援增強的訊號完整性。(圖片來源：Analog Devices)

由於許多 LNA 通常不會部署到穩定的溫度環境中，因此 ADL5724 規格書包含了關鍵效能因素與溫度的關係圖 (圖 3)。

圖 3：LNA 的效能取決於溫度，如以上兩張頻率與 (a) 增益和 (b) 雜訊指數之間的關係圖所示，兩張圖皆顯示了在 -40⁰C、+25⁰C 及 +85⁰C 下的變化。請注意在溫度升高下，增益降低和雜訊指數增加的情況。(圖片來源：Analog Devices)

對於 ADL5724 而言，增益會隨著溫度的升高而略為降低，雜訊指數則會隨之增加。此為 LNA 的典型效能，與製程無關。設計人員在建構最壞情況的模型以及訊號鏈效能的模擬時，需要將這些變化納入考量。

為了達到高動態範圍和低雜訊，MACOM Technology Solutions Holdings (MACOM) 推出 MAAL-011078，此高動態範圍 GaA 單級 LNA，具有超低的雜訊指數，在 2.6 GHz 時僅有 0.5 dB。此外，還提供 22 dB 的增益，以及 33 dBm (OIP3) 和 17.5 dBm (P1dB) 的高線性度。此 IC 涵蓋 700 MHz 至 6 GHz，包括一個附加功能：整合式主動偏壓電路，因此能讓使用者透過外部電阻設定偏壓 (操作點) 電流。因此，使用者可針對應用調整適合的功耗。例如，選擇稍微犧牲一些效能以降低工作電流 (圖 4)。

圖 4：MACOM 的 MAAL-011078 能讓使用者透過外部電阻設定 LNA 偏壓電流和操作點，因此可在與頻率的關係下，用較低的工作電流換取 OIP3 的變化 (左圖)，並且降低 P1dB 效能 (右圖)。(圖片來源：MACOM)

充分利用 5G LNA

選擇了適合的 5G LNA 後，需進行一些考量和因應措施來實作 5G 前端設計，以便充分利用該 LNA。隨著工作頻率超過 5 GHz、10 GHz，除了 LNA 本身外，還必須考量五個主要因素。

1：PC 板材料的選擇 - 在 GHz 範圍內，LNA 輸入和輸出端的傳輸線路損耗是一項主要因素。輸入端尤其如此，因為該處的損耗會導致可達到的最大訊噪比降低，並且還會增加 LNA 輸出雜訊。由於絕大多數的設計皆將傳輸線路製造為 PC 板本身的帶狀線，因此必須使用低損耗的介電質材料來製造 PC 板。

單純使用普遍的 FR4 PC 板層板並不足夠，因此廠商提供多種替代材料和層板。其中一種廣泛使用的電路板採用特殊層板覆蓋在 FR4 基板上，可針對傳輸線路提供穩定的損耗係數，但更具有 FR4 固有強度可作為加強片。

請記住，在這些頻率下，PC 板必須視為電路設計中的另一個被動「元件」，與其他所有被動元件一樣具有寄生效應。此外，即便是諸如電路板主要特性的電阻溫度係數及其寄生效應等細微部分，也必須納入考量。高效能 PC 板材料的廠商會提供此資料。

2：電容選擇 – 必須在輸入和輸出匹配電路使用高 Q 值電容，以保持低雜訊指數進出 LNA。低 Q 值元件會使雜訊指數降低 0.2 dB 至全 dB 不等。廣泛使用的 NPO 電容具有低 Q 值且損耗較高，因此應避免採用。最高 Q 值電容是以瓷料為基礎，但價格昂貴。您可根據效能與成本分析，尋找符合需求的媒介。

3：電源供應器旁路 - 這是廣為人知但經常被忽視的因素，因此必須再次強調。必須在 IC 和其他位置謹慎徹底地執行 DC 電源供應器旁路，以便確保穩定一致的高頻效能。選擇的旁路電容應在所需頻率下具備最低的阻抗值，以便發揮最大的解耦效能。

例如，1000 pF 的電容便不適合用於高頻解耦。在 5 GHz 時，1000 pF 電容的自諧振頻率使其看起來像電感，因此實際上可能會為解耦帶來反效果。相反地，應在靠近 LNA 的位置放置一個小值電容 (通常小於 10 pF)。此外，設計中應包含使用 1000 pF 和 0.01 μF 電容並聯組合的傳統低頻解耦。這些電容的擺放位置無須靠近 LNA。

4：輸入和輸出匹配 - 雖然許多 LNA 的輸入和輸出具有 50 Ω 的阻抗值，但有些並沒有。即使有，驅動 LNA 的電路以及 LNA 輸出端驅動的電路也可能不是 50 Ω。因此，必須建立匹配的電路，並使用史密斯表和 S 參數來建構適當的匹配選項。同樣地，在 5G 頻率下使用的無功被動元件 (電感和電容) 將具有不同類型且不可避免的寄生效應：內部、對於鄰近元件，以及對於 PC 板。

設計人員應該落實三件事：選擇可在這些頻率下達到低寄生效應的匹配元件；確保在放置元件時充分鑑別不可避免的寄生效應；以及在建立匹配電路模型時使用這些值並依此調整標稱值。

5：纜線互連 - 有些 5G 設施需要越過 PC 板及其帶狀線傳輸線路的互連，反而需要使用實體纜線。若使用差動介接 (常用於維持電路平衡且較不易受雜訊影響)，則這些纜線式互連可能需要使用理想狀況下具備相同傳播特性的偏斜匹配纜線對。

因此，適合 5G 頻率 (達到甚至超越 40 GHz) 的高效能纜線通常會將延遲匹配到 1 psec。這些纜線成對出售和使用，且兩條實體纜線包含「束帶」，以便始終成對，因為這些纜線不能分別安裝或更換。使用這些纜線可讓差動電路實現高階 LNA 的效能，以便驅動訊號鏈的下一階段。

結論

5G 無線標準將工作頻率推高至數 GHz 和數十 GHz 的範圍，並且還要求類比電路 (特別是低雜訊放大器) 達到更低雜訊／失真的效能。SiGe、SOI 和 GaA 等 IC 製程技術可滿足這些需求。然而，若不多加留意 RF 在這些較高頻率下的實際情況，可能會讓 LNA 的優異效能失色。