无线设计方案书中低杂讯与功率放大器基础知识.docVIP

在无线设计中，天线与电子电路之间有两个元件扮演着关键介面的角色，即低杂讯放大器 (LNA) 和功率放大器 (PA)。 但两者之间的共通点仅限於此。 虽然两者大致上皆具有相当简易的功能方块图以及角色，但遭遇的难题、优先考量以及效能参数上却不同。 　　 为何如此？ LAN 在未知世界中运作。 身为接收器通道的「前端元件」，必须在指定的频宽范围内，撷取并放大超低功率、低电压讯号以及相关的随机杂讯（由天线引入）。 在讯号理论中，这称为未知讯号／未知杂讯挑战，在所有讯号处理挑战中是最困难的。 　　 相反地，PA 则是从电路取得极强的讯号，并具有高 SNR，且「仅会」放大其功率。 有关讯号的所有一般因素皆已获知，例如幅度、调变、形状、工作周期等。 这在讯号处理领域中属於已知讯号／已知杂讯象限，也是最容易管理的一种。 尽管 PA 的运作简单明了，但也是有效能上的挑战。 　　 在双工（双向）系统中，LNA 和 PA 通常不会直接连接天线，而是连接双工器（被动元件的一种）。 双工器采用定相和移相引导 PA 的输出功率前往天线，同时阻挡功率前往 LNA 输入端，藉此避免敏感的 LNA 输入过载和达到饱和（如需进一步了解天线的基础知识，请参阅 TechZone 的《了解天线规格与操作》文章）；此外也会引导天线讯号前往 LNA 而非 PA（图 1a）。 Avago Technologies 的 ACMD-7612 就是此类双工器（图 1b）；其采用 Avago 的薄膜块体声波共振器 (FBAR) 技术达到此功能。 　　 　　双工器能预防功率泄漏 　　图 1a：双工器能预防功率从 PA 侧泄漏到 LNA 侧，因此接收器不会遭到「遮蔽」。 　　 　　Avago Technologies 的 ACMD-7612 双工器　 图 1b：Avago Technologies 的 ACMD-7612 双工器属於半导体元件，覆盖区相容於高密度 PC 板设计。 从LNA开始接收　　 LNA 的功能就是接收来自天线的极微弱且不明确讯号，通常仅有微伏等级或低於 -100 dBm（请注意，在 50 Ω 系统中，10 μV 为 -87 dBm，100 μV 等於 -67 dBm），然後将其放大至较实用的程度，约 0.5 至 1 伏特。 现代电子产品本身提供此增益其实并不会是重大问题，反而是 LNA 可能在微弱输入讯号上加入杂讯，而严重影响效果。 此杂讯会盖过 LNA 进行放大作业的任何优点。 　　 对 LNA 而言，主要参数包括杂讯指数 (NF)、增益以及线性度。 杂讯系来自於热能或其他来源，典型杂讯指数的范围介於 0.5 至 1.5 dB。 单级的典型增益值介於 10 至 20 dB 之间；有些设计采用串接放大器搭配低增益、低 NF 级再连接可能有更高 NF 的更高增益级，但若初始讯号有经过「增益」，则可降低影响程度。 （若要进一步了解 LNA、杂讯和 RF 接收器，请参阅 TechZone 的《低杂讯放大器能让接收器达到最大灵敏度》文章。） 　　 非线性度是 LNA 的另一个问题，其产生的谐波和互调变失真会导致接收的讯号受损，因此用够低的位元误差率 (BER) 对其进行解调和解耦将更加困难。 线性度通常由三阶截断点 (IP3) 界定，三阶截断点将三阶非线性期间所产生的非线性乘积与线性放大讯号连结；IP3 值越高，放大器效能就更线性化。 　　 LNA 的功耗与效率通常不是主要考量。 多数 LNA 在本质上都是低功率元件，电流消耗量介於 10 至 100 mA，能为後级提供电压增益，而非将功率传送至负载。 此外，系统中仅有一或两个 LNA 通道（用於 Wi-Fi 介面的分集天线设计才有两个 LNA 通道），因此使用较低功率 LNA 就能达到适度的节省效果。 　 除了操作频率和频宽外，LNA 在功能上其实非常相似。 有些 LNA 亦含有增益控制，因此放大器能处理宽广动态范围的输入讯号，而不会导致过载和饱和。 如此多变的输入讯号强度通常发生在行动应用上，这是由於基地台与手机之间的路径损耗范围非常宽广，即使在单一连线周期内也是如此。 　　 LNA 属於低功率基本放大器，其裸晶粒的尺寸通常非常小（往往小於 1 x 1 mm）且连结很少，因此能纳入小型封装中，例如 SOT-363。 多数的 LNA 都具有输入、输出、功率、接地以及增益（若有）的连结，有些设计更含有偏移操作点的设定。 　　 消费型产品的 LNA 采用 CMOS、GaAs（砷化镓）或 SiGe（矽锗）制程技术架构，有些更使用 pHEMT（拟态高电子迁移率电晶体）架构。 CMOS（具有低成本、高生产量基础设施）和其他制程技术之间的竞赛不断拉锯，因此「最佳」LNA 制程时常变动。 甚至还有 CMOS 架构