Model-Based Optimization Outperforms LNA Datasheet Specifications

Chris DeMartino, Hugo Morales和Larry Dunleavy, Modelithics Inc., Tampa, Fla.

（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

在某些情况下，利用与分立晶体管低噪声放大器（LNA）设计相同的概念，有可能改善使用MMIC低噪声放大器（LNA）的设计的性能。在这篇文章中，一个使用MMIC LNA的设计在5G频段上进行了优化，以达到比器件数据表上给定的更低的噪声系数。

LNA通常是接收器链路中的一个关键组件。它的目的是放大由接收机天线捕获的极弱信号，同时给信号增加尽可能小的噪声功率。LNA的噪声系数是一个重要的参数，使设计者能够确定一个给定的LNA是否适合于某种要求。噪声系数是噪声的分贝表示，是衡量信号通过网络时信噪比下降的指标。可以从不同的制造商那里买到MMIC LNA，通常可以买到能满足要求的性能的MMIC LNA，而不是用分立晶体管设计LNA。然后，可以按照制造商的说明，将MMIC LNA安装在印刷电路板上，从而纳入整体设计。相比之下，用分立晶体管设计LNA通常比使用MMIC需要更多的努力，因为分立晶体管LNA的设计涉及到创建适当的匹配网络，从而使放大器达到预期的性能。

为了说明问题，图1显示了一个由输入匹配网络、晶体管和输出匹配网络组成的单级放大器。当适当选择源反射系数(Γ_S)时，可实现最小噪声系数；实现最小噪声系数的Γ_S值被称为Γopt。Γopt和最小噪声系数Fmin以及等效归一化噪声电阻r_n由晶体管制造商提供，也可以通过实验确定。¹ 一般来说，用分立晶体管设计LNA时，目标是设计输入匹配网络，以实现晶体管的最低噪声系数，并设计输出匹配网络，帮助LNA满足输出回波损耗、增益、增益平坦度和其他参数的要求。^1,2

与分立晶体管LNA设计相比，购买内部匹配为50Ω的MMIC LNA似乎更容易，因为不需要设计任何匹配网络。相反，MMIC只是按照制造商的说明插入到50Ω的环境中，这显然更快，在许多情况下可以接受。然而，通过利用与分立晶体管LNA设计相同的概念，可能会优化MMIC LNA的性能。一个MMIC LNA可能被指定在很宽的频率范围内工作，许多设计者可能认为数据表中的噪声系数是可以实现的最佳值；然而，MMIC LNA可能在部分频段上实现比数据表中所示更低的噪声系数。这种改进的性能可以通过优化所需频率范围内的设计来实现。

在这篇文章中，我们使用Mini-Circuits的PMA-5451+宽带MMIC LNA优化了一个5G频段的LNA。该设计使用是德科技的高级设计系统（ADS）软件进行了仿真。使用了MMIC LNA和所有无源元件的Modelithics模型，PMA-5451+的Modelithics模型在S参数和噪声参数方面都得到了验证，这些参数被用来优化整个设计，以便在所需频段上获得最佳噪声系数。目标是使优化后的LNA的噪声系数低于Mini-Circuits数据手册中给定的PMA-5451+的典型噪声系数。实测数据证实了这种方法。

MMIC LNA的性能

Mini-Circuits的PMA-5451+ MMIC LNA（图2）是使用增强模式PHEMT工艺制造的。工作频率范围为50 MHz至6 GHz。该MMIC由单一的+3 V直流电源供电，在1.5 kΩ的偏置电阻下，通常消耗30 mA电流。它被组装在一个3×3毫米的封装中。PMA-5451+数据表包含推荐应用电路的原理图（图3）和用于确定器件规格的特性测试电路。在+25℃时的典型增益、噪声系数和输入/输出回波损耗见表1。该表显示PMA-5451+在3和4GHz时的典型噪声系数分别为1.3和1.5dB。对于本设计，目标是使3.3至3.8 GHz范围的噪声系数更小，这是n78 5G NR频段。

Modelithics为许多Mini-Circuits元件提供模型，包括PMA-5451+。该模型是一个基于数据的行为模型，基于使用配备超快噪声选项的Keysight PNA-X矢量网络分析仪测量的宽带S参数和噪声参数开发。PMA-5451+的Modelithics模型在+25℃、+3 V和30 mA的偏置条件下验证了S参数和噪声参数，预测了45 MHz至20 GHz的S参数和500 MHz至8 GHz的噪声参数，超出了Mini-Circuits给定的工作频率范围。该模型包括三种基板选项，因为它是从使用6.6、10和20mil厚的Rogers RO4350B基板进行的测量中提取的。设计师可以使用"基板"参数选择这些基板中的一种。在本设计中，使用了20mil厚的RO4350B。Modelithics提供了一份PMA-5451+的数据手册，显示了用于模型提取的应用原理图。此外，还包括模型的S参数和噪声参数。通过在ADS中仿真包含PMA-5451+模型的原理图，在输入和输出端有50Ω的端口负载，可以复制模型数据表中的图表（图4）。

仿真图4的原理图，实际噪声系数（模型数据表中的NF50）和可能的最小噪声系数（模型数据表中的NFMin）绘制在图5中，图6比较了仿真的50Ω噪声系数和模型中可用的三种基板厚度。图5显示噪声系数在3.3GHz时为1.14dB，在3.8GHz时稍微上升到1.32dB。在这些相同的频率下，最小噪声系数分别为0.82 dB和0.89 dB。在3.3GHz时，噪声系数比最小值高0.32dB，在3.8GHz时差异更大，为0.43dB。通过设计一个适当的匹配网络，可以优化LNA，使噪声系数更接近最小值；一个现实的目标是3.3至3.8 GHz的噪声系数≤1.0 dB。

最小噪声系数的最佳源反射系数在ADS中称为S_opt，也可以确定（图7）并在Modelithics模型中看到。为了达到最低的噪声系数，放置在PMA-5451+输入端的匹配网络必须产生一个源反射系数Γ_S，在3.3至3.8 GHz的频率范围内与S_opt密切匹配。图8是同一仿真中的|S₂₁|、|S₁₁|和|S₂₂|，显示在n78频段上，增益在8.70和9.82 dB之间变化。

MMIC LNA的设计

图9所示的MMIC LNA设计的ADS原理图基本上反映了Mini-Circuits推荐的应用电路。该设计包括位于MMIC输入端的PMA-5451+、电容C1和电感L2。这两个元件与连接它们和PMA-5451+的微带互连，一起构成了输入匹配网络。选择MMIC输出端的电容C2和电感L1是为了达到可接受的输出回波损耗。该电路还包括一个1.5kΩ的偏置电阻Rbias，设定30mA的偏置电流，以及一个旁路电容C3。

Modelithics Microwave Global Models™用于电容器、电感器和电阻，它们都是0603尺寸的零件。AVX SQCS电容用于C1和C2，Würth Elektronik WE-KI电感用于L1和L2，KOA Speer RK73H 1.5 kΩ电阻用于Rbias，Murata GRM188R72A 0.1µF电容用于C3。一个单一的Microwave Global Model涵盖了供应商元件的全部数值范围，由于这些模型中的数值是可扩展的，所以这些模型对于调整或优化设计非常有用。

为了优化3.3至3.8GHz的噪声系数，必须适当调整C1和L2的值。由于连接C1和L2与PMA-5451+的微带互连的长度对实现最佳性能有影响，优化过程包括调整微带互连的长度，以及调整元件值。为了建立设计的起点，在优化元件值和互连尺寸之前，将C1和L2的初始值分别设置为100 pF和390 nH，并将微带互连长度设置为任意值，仿真了LNA的增益和噪声系数。在3.8 GHz，起始增益略低于8 dB，噪声系数略高于1.6 dB（图10）。

下一步是优化设计以降低噪声系数，使用Microwave Global Model中的"离散优化"功能使这一过程更加简单（图11）。模型的零件值被调整为制造商的"现实"零件值。³ 通过这种方法，设计者可以在一个零件系列中给出要包括在优化中的零件值的范围。在这种情况下，对PMA-5451+输入端的元件C1和L2激活了离散优化功能，以达到最佳噪声系数。必须指定优化目标，并对优化本身进行配置。在3.3至3.8GHz的范围内，设定了0.9dB最大噪声系数的优化目标——可能是不现实的——并进行了离散优化，结合调整微带互连长度，以获得n78波段的最佳噪声系数。此外，确定了PMA-5451+输出端的元件值，即C2和L1，以达到足够的输出回波损耗。经过优化，其值为C1=2 pF、L2=27 nH、C2=3.6 pF、L1=3.3 nH（表2）。

图12显示了优化后的LNA设计的仿真噪声系数，与优化前的仿真噪声系数（图10）进行了比较。优化后，在3.3到3.8GHz范围内，仿真噪声系数<1.0dB。图13显示了优化后的LNA设计的仿真增益和回损。在50MHz到8GHz的整个仿真频率范围内，稳定系数>1。图14比较了PMA-5451+模型的S_opt数据和从PMA-5451+看向输入匹配网络的反射系数。为了在3.3至3.8GHz范围内实现最佳噪声系数，源反射系数应尽可能地接近S_opt，如图所示。

LNA的测量

最后一步是通过建造和测量LNA来验证设计。图15显示了组装和测量的两个单元中的一个。测量的增益和回波损耗与仿真结果基本一致（图16和17）。图18比较了测量和仿真的噪声系数，包括优化前的仿真噪声系数。两个测量的LNA中的一个在3.3到3.8GHz之间的噪声系数<1dB，而第二个LNA的噪声系数略高，在3.8GHz达到峰值1.06dB。我们相信装配的差异性和测量的敏感性导致了较高的噪声系数和与仿真的偏差。尽管如此，结果证实，降低噪声系数的目标已经实现。

总结

测试结果表明，可以对MMIC LNA进行优化，以便在更窄的频率范围内实现比制造商数据表中给定的更低的噪声系数。Modelithics放大器模型非常适合这种方法，因为它们使设计者能够预测S参数和噪声参数。增加缩放无源元件模型值的能力，使得优化无源元件以满足设计目标变得容易。

参考文献

1.   Guillermo Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design, Second Edition, Prentice Hall, New Jersey, 1997.

2.   S. Akamatsu, S. Muir and L. Dunleavy, “Simulation Procedures for Successful Low Noise Amplifier (LNA) Design Using Discrete Components,” High Frequency Electronics, 2012, pp. 22–30.

3.   “Discrete Optimization with Modelithics Models in ADS,” Modelithics, October 2018, Web, www.modelithics.com/Literature/Presentation.

图1 单级LNA拓扑结构。

图2 PMA-5451+ MMIC LNA。

图3 PMA-5451+应用电路。

图4 ADS Modelithics PMA-5451+模型，使用20mil RO4350B基板。

图5 仿真的50Ω噪声系数（红线）和最小噪声系数（蓝线）。

图6 使用6.6mil（红线）、10mil（蓝线）和20mil（绿线）的RO4350B基板仿真的50Ω噪声系数。

图7 最小噪声系数的最佳源反射系数，1.5至6GHz。

图8 仿真的|S₂₁|（a）、|S₁₁|和|S₂₂|（b）。

图9 完整的LNA设计的ADS模型。

图10 未经优化的LNA设计的仿真增益（红线）和噪声系数（蓝线）。

图11 用Modelithics无源元件模型参数优化的离散元件

图12 优化前（虚线）和优化后（红线）的LNA仿真噪声系数。

图13 优化前（黑色虚线）和优化后（红线）的仿真|S₂₁|（蓝线）和|S₂₂|（洋红色线）。

图14 PMA-5451+ S_opt（蓝色）和从PMA-5451+看向输入匹配网络的反射系数（红色）。

图15 LNA组装。

图16 两个LNA的实测增益（虚线）与仿真增益（红线）。

图17 实测与仿真的对比：|S₁₁|（a）和|S₂₂|（b）。虚线代表两个LNA的测量结果；红色线是仿真性能。

图18 两个LNA的实测噪声系数（虚线）与优化前（黑色点状虚线）和优化后（红色线）的仿真对比。