瞭解無線設計中的低雜訊和功率放大器基礎知識

對效能、微型化與高頻率運作的追求，考驗著無線系統中兩個天線連接的關鍵元件極限，即功率放大器 (PA) 與低雜訊放大器 (LNA)。激發這個轉變的原因是為了實現 5G，以及將 PA 與 LNA 應用於 VSAT 終端、微波無線電鏈路和相位陣列雷達系統。

這些應用涵蓋許多需求，包括較低的雜訊 (針對 LNA) 與更高的效率 (針對 PA)，以及在更高頻率下運作 (高達甚至超過 10 GHz)。為了滿足這些日益增加的需求，LNA 與 PA 製造商正從傳統的全矽製程轉換到 LNA 用的砷化鎵 (GaAs) 與 PA 用的氮化鎵 (GaN) 製程。

本文將說明 LNA 與 PA 的作用與需求，以及兩者的主要特性，接著會介紹典型的 GaAs 與 GaN 裝置，以及利用這些裝置進行設計時的注意事項。

LNA 的敏感角色

LNA 的作用就是接收來自天線的極微弱且不明確的訊號，通常僅有微伏等級或低於 -100 dBm，然後再放大至較實用的位準，通常約 0.5 至 1 V (圖 1)。請注意，在 50 Ω 系統中，10 μV 為 -87 dBm，100 μV 等於 -67 dBm。

透過現代電子元件達到此增益其實並非重大難題，反而是 LNA 可能會在微弱的輸入訊號上加入雜訊，而嚴重影響此效果。此雜訊會蓋過 LNA 進行放大作業的任何優點。

圖 1：接收路徑低雜訊放大器 (LNA) 與傳輸路徑功率放大器 (PA) 可透過雙工器連接到天線，藉此將兩個訊號分隔，避免相對較強的 PA 輸出導致敏感的 LNA 輸入過載。(圖片來源：DigiKey)

請注意，LNA 在充滿未知因素的環境中運作。身為接收器通道的前端元件，LNA 必須在指定頻寬內，針對天線所導入的超低功率、低電壓訊號以及相關隨機雜訊進行擷取和放大。在訊號理論中，這稱為未知訊號／未知雜訊挑戰，是所有訊號處理中最困難的挑戰。

對 LNA 而言，主要參數包括雜訊指數 (NF)、增益以及線性度。雜訊係來自於熱能或其他來源，典型雜訊指數介於 0.5 至 1.5 dB。單級的典型增益介於 10 至 20 dB 之間。有些設計採用串接放大器搭配低增益、低 NF 級，並且連接可能有更高 NF 的更高增益級，但若初始訊號已經「提高增益」，這就不是那麼重要。(若要進一步瞭解 LNA、雜訊和 RF 接收器，請參閱 TechZone 裡的文章《低雜訊放大器能讓接收器達到最大靈敏度》。)

非線性度是 LNA 的另一個問題，其產生的諧波和交互調變失真會破壞接收到的訊號，因此用夠低的位元錯誤率 (BER) 對其進行解調和解耦將更加困難。線性度通常是以三階截斷點 (IP3) 判定，會將三階非線性期間產生的非線性乘積與線性放大訊號連結；IP3 值越高，放大器的效能就更線性化。

LNA 的功耗與效率通常不是主要考量。多數 LNA 在本質上都是低功率裝置，電流消耗量介於 10 至 100 mA，能為後級提供電壓增益，而非將功率傳送至負載。此外，系統中僅有一或兩個 LNA 通道 (Wi-Fi 與 5G 介面等分集天線設計才有雙通道)，因此使用較低功率 LNA 就能達到適度的節省效果。

除了工作頻率和頻寬外，LNA 在功能上其實也非常相似。有些 LNA 亦含有增益控制，因此放大器能處理寬廣動態範圍的輸入訊號，而不會過載和飽和。如此多變的輸入訊號強度在行動應用中相當常見，這是由於基地台與手機之間的路徑損耗範圍非常寬廣，即使在單一連線週期內也是如此。

輸入訊號到 LNA，以及 LNA 到輸出訊號之間的路徑分配，和該零件本身的規格一樣重要。因此，設計人員必須使用複雜的模型與佈局工具來發揮 LNA 的完整效能潛力。優異的零件在不良的佈局或阻抗匹配下也容易劣化，因此務必使用廠商提供的史密斯表 (參閱「史密斯表：對 RF 設計而言仍極為重要的「古老」圖表工具」)，並搭配可靠的電路模型，以支援模擬和分析軟體。

基於這些原因，幾乎所有在 GHz 頻率範圍內運作的高效能 LNA 供應商，都會提供評估板或經過驗證的電路板佈局，因為測試設置的每個層面都非常重要，包含佈局、連接器、接地、旁路與電源。若沒有這些資源，設計人員會浪費時間在嘗試評估該零件在應用中的效能表現。

Analog Devices 推出的 HMC519LC4TR 就是 GaAs 架構 LNA 的例子之一，屬於 18 至 31 GHz 的擬態高電子遷移率電晶體 (pHEMT) 裝置 (圖 2)。此無引線的 4 × 4 mm 陶瓷表面黏著封裝提供 14 dB 的小訊號增益，以及 3.5 dB 的低雜訊指數和 +23 dBm 的高 IP3。能以 +3 V 單一電源運作，電流消耗量為 75 mA。

圖 2：HMC519LC4TR GaAs LNA 針對 18 至 31 GHz 的低階輸入，提供低雜訊的增益；大部分的封裝連接都用於電源軌、接地或是未使用。(圖片來源：Analog Devices)

為了在三個電源軌饋電上 (名為 V_dd) 提供適當的 RF 旁路並達到低寄生效應，必須經歷一番設計進展，包括從簡易的功能方塊圖到多個不同大小與類型的外部電容 (圖 3)。

圖 3：在實際應用中，HMC519LC4TR LNA 必須在電源軌上 (全部皆為相同的額定電壓) 具備多個旁路電容，以同時提供大電容量達到低頻濾波，以及小電容量達到 RF 旁路，藉此將 RF 寄生效應降至最低。(圖片來源：Analog Devices)

此增進的線路圖可進一步發展成評估板，詳細描述佈局和 BOM，包含使用無 FR4 的電路板材料 (圖 4(a) 與 4(b))。

圖 4(a)：

圖 4(b)

圖 4：這些 LNA 的前端元件以高頻率運作且必須擷取低位準訊號，因此必須具有詳盡且經過測試的評估設計。這包含線路圖 (未顯示)、板佈局 (a) 以及 BOM，並且需要被動元件和電路板材料 (b) 的具體資訊。(圖片來源：Analog Devices)

MACOM 的 MAAL-011111 是更高頻率運作的 GaAs LNA，可支援 22 至 38 GHz 工作頻率 (圖 5)。此產品提供 19 dB 的小訊號增益，以及 2.5 dB 的雜訊指數。這款 LNA 看似單級裝置，但內部卻有三個串接級。第一級經過最佳化，可達到最低雜訊和適度增益，後續兩級則提供額外的增益。

圖 5：對使用者而言，MAAL-011111 LNA 看似單級放大器，但內部卻使用串聯的增益級，能將輸入至輸出訊號路徑 SNR 提升至最大，並在輸出端大幅提升增益。(圖片來源： MACOM)

如同 Analog Devices 的 LNA，MAAL-011111 僅需單一低電壓電源，且尺寸小巧，僅有 3 × 3 mm。使用者可以將偏置 (電源) 電壓設定在 3.0 V 至 3.6 V 之間的不同值，藉此調整和權衡某些效能規格。建議的電路板佈局可指出，維持適當阻抗匹配和接地層效能所需的關鍵印刷電路板銅尺寸 (圖 6)。

圖 6：讓 MACOM 的 MAAL-011111 發揮最大效用，且提供輸入和輸出阻抗匹配的建議佈局。請注意，電路板使用銅材以達到阻抗控制的傳輸線路，以及低阻抗接地面 (尺寸單位為毫米)。(圖片來源：MACOM)

PA 可驅動天線

相較於 LNA 的訊號擷取難題，PA 會以相當高的 SNR 從電路取得相對較強的訊號，而且必須提升其功率。目前已經知道與訊號相關的所有一般因素，例如幅度、調變、形狀、工作週期等。這在訊號處理領域中屬於已知訊號／已知雜訊範疇，也是最容易管理的一種。

PA 的主要參數是在相關頻率下的功率輸出，典型的 PA 增益介於 +10 至 +30 dB 之間。除了增益外，效率是 PA 的另一個關鍵參數，但任何的效率評估作業都很複雜，無論是在使用模型、調變、工作週期、容許的失真，以及加強訊號的其他層面都是。PA 效率介於 30% 至 80% 之間，但容易受到相當多因素影響。線性度也是 PA 的關鍵要素之一，如同 LNA 一樣皆是由 IP3 判定。

許多 PA 在較低功率位準下 (最高約 1 至 5 W) 採用 CMOS 技術。最近幾年，其他技術也已成熟並獲得廣泛運用，特別是在較高功率位準下，效率對電池續航力和熱考量皆有關鍵影響。PA 採用 GaN 架構可在較高功率位準和較高頻率下 (通常高於 1 GHz) 提供更高效率，以滿足更高瓦數的需求。GaN PA 具有成本競爭力，在效率與功率耗散考量下更是如此。

Wolfspeed 的 CGHV14800F 屬於 1200 至 1400 MHz 的 800 W 裝置，在最新推出的 GaN 架構 PA 產品中具有代表性。這款 HEMT PA 兼具效率、增益及頻寬，且已針對脈衝式 L 頻帶雷達放大器進行最佳化，能讓設計人員發揮應用的眾多用途，例如飛航管制 (ATC)、天氣、反飛彈以及目標追蹤系統等。此產品的電源電壓為 50 V，能提供 50% 以上的典型耗電效率，採用 10 x 20 mm 的陶瓷封裝，並且具有金屬凸緣以利散熱 (圖 7)。

圖 7：CGHV14800F 採用 10 x 20 mm 陶瓷封裝，並具有金屬凸緣，屬於 1200 至 1400 MHz、800 W 的 GaN PA，必須同時滿足嚴格的 RF 和功率耗散要求。請注意，固定凸緣需以螺絲將封裝固定在電路板 (非焊接)，以達到機械和熱能完整性。(圖片來源： Wolfspeed)

CGHV14800F 使用 50 V 電源操作，通常會提供 14 dB 的功率增益，並具有高於 65% 的耗電效率。如同 LNA，評估電路與公版設計都非常重要 (圖 8)。

圖 8：CGHV14800F PA 的展示電路 除了裝置本身外，僅需相當少的外部元件，但實體佈局和熱考量仍相當重要；PA 需利用螺絲和螺帽 (位於底部，看不到) 透過封裝凸緣固定到電路板，以便達到安裝完整性和散熱目標。(圖片來源：Wolfspeed)

除了眾多規格表和效能曲線外，功率耗散降額曲線也一樣重要 (圖 9)。此曲線顯示可用功率輸出額定值和機殼溫度的關係，並指出在高達 115⁰C 下皆可達到恆定的最大功率，然後就會線性降低，直到最高額定溫度 150 ⁰C 為止。

圖 9：由於 PA 是用來傳送電力，因此需要其降額曲線，才能讓設計人員瞭解，在機殼溫度上升時，允許的輸出功率需降低多少。在此，額定功率在超出 115°C 後即迅速下降。(圖片來源：Wolfspeed)

MACOM 也提供 GaN 架構 PA，如 NPT1007 GaN 電晶體 (圖 10)。此產品頻率介於 DC 至 1200 MHz，因此適合用於廣頻與窄頻 RF 應用。此產品通常使用 14 至 28 V 的單一電源運作，在 900 MHz 下提供 18 dB 的小訊號增益。此裝置可耐受 10:1 駐波比 (SWR) 不匹配情況，且不會劣化。

圖 10：MACOM 的 NPT1007 GaN PA 介於 DC 至 1200 MHz，因此適合用於廣頻與窄頻 RF 應用。設計人員可透過多種負載拉移圖取得額外支援。(圖片來源：MACOM)

除了有圖片可顯示在 500、900 和 1200 MHz 時的效能基本資訊外，NPT1007 還提供多種「負載拉移」圖表的支援，能協助電路和系統設計人員，一同確保產品的耐用度 (圖 11)。負載拉移測試的進行必須使用已配對的訊號來源與訊號分析器 (頻譜分析器、電表或向量接收器)。

這項測試需要改變受測元件 (DUT) 所觀察到的阻抗值，以便評估 PA 的效能 (包含輸出功率、增益和效率等因素)，因為任何相關的元件值都可能會在溫度變化下而變動，或是在標稱值附近的容許範圍內有所變動而受到影響。

圖 11：NPT1007 PA 的負載拉移圖超出了最小／最大／典型規格的標準表格，藉此顯示負載阻抗超出標稱值時的 PA 效能情況 (在實際應用中，會因為初次生產容差以及熱漂移而發生)。(圖片來源：MACOM)

無論使用的 PA 製程為何，裝置的輸出阻抗必須由廠商完整特性化，如此設計人員才能與天線正確匹配，達到最大功率傳輸，並盡可能將 SWR 保持一致。這個匹配電路主要是由電容與電感組成，且可能在實作上當作離散裝置，或製成電路板甚至是產品封裝的一部分。這些元件也必須經過設計，以維持 PA 的功率位準。再次強調，必須使用史密斯表等工具，以便瞭解和進行必要的阻抗匹配作業。

礙於 PA 的小型晶粒尺寸和高功率位準，封裝也是一大關鍵難題。如之前所述，許多 PA 可透過大型散熱封裝引線和凸緣，以及在封裝下使用散熱塊作為電路板銅材路徑，藉此支援散熱。在更高功率位準下 (約 5 至 10 W)，PA 可採用銅蓋帽讓散熱片安裝在頂端，而且可能需要使用風扇或其他進階散熱技術。

基於 GaN PA 的功率額定值與小型尺寸，製作散熱環境的模型也很重要。當然，讓 PA 本身維持在可允許的機殼或接面溫度額定值內是不夠的。從 PA 中耗散的任何熱量，絕不能對電路和系統的其他零件造成問題。必須詳加考量，以便因應並解決整個散熱路徑的問題。

結論

從智慧型手機、VSAT 終端到相位陣列雷達系統，RF 架構系統正在挑戰 LNA 和 PA 的效能極限。這促使裝置製造商從矽材轉而探索 GaAs 和 GaN，以便提供所需的效能。

這些全新的製程技術，能為設計人員提供更大頻寬、更小體積與更高效率的裝置。但是，設計人員仍須瞭解 LNA 和 PA 的基本操作原理，以便有效運用這些新技術。