用MAX2648 5GHz LNA設(shè)計(jì)獲得高頻穩(wěn)定性

MAX2648 LNA在5GHz至6GHz頻段具有17dB的增益和1.8dB的噪聲系數(shù)。與所有優(yōu)秀的微波器件一樣，MAX2648 LNA工作在高頻時(shí)(高至20GHz)具有極高的增益。眾所周知，如果不采取適當(dāng)?shù)奈⒉ㄔO(shè)計(jì)技術(shù)，這種放大器在頻率大于10GHz時(shí)潛在著自激振蕩的可能。本應(yīng)用筆記闡述了MAX2648 LNA微波匹配電路的設(shè)計(jì)方法，在保證穩(wěn)定工作的前提下獲得盡可能高的性能指標(biāo)。

設(shè)計(jì)中要考慮的因素

以下是設(shè)計(jì)高性能微波LNA時(shí)需要考慮的因素：

• PCB材料的選擇
• 元件的選擇
• 電源旁路
• 輸入和輸出匹配電路

PCB材料的選擇

在5GHz頻段，低噪聲放大器前、后的傳輸線損耗都是顯著的。放大器輸入端的線上損耗尤其重要，因?yàn)檫@種損耗將直接疊加到LNA的噪聲系數(shù)中。由此，建議使用低損耗的電介質(zhì)材料作為PCB材料。例如，MAX2648評(píng)估板采用10mil厚的Rogers 4350 “基于FR4的層壓板”材料。層壓板使微波傳輸帶具有穩(wěn)定的損耗因數(shù)，而且FR4板提供了一種低成本支持。

電容的選擇
為了達(dá)到最優(yōu)的噪聲系數(shù)，在輸入輸出匹配電路中使用高Q值電 容至關(guān)重要。使用低Q元件將對(duì)噪聲系數(shù)產(chǎn)生不利影響。在MAX2648評(píng)估板上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)使用普通有損電容(如jelly-bean NPO)取代高Q電容(如ATC或Vitramon)時(shí)，噪聲系數(shù)將損失0.2dB。然而，高Q瓷片電容過(guò)于昂貴，不適合批量產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，作為在成本和性 能之間的折中可以選擇Murata的GJ615系列產(chǎn)品。

電源旁路
為了在微波頻段穩(wěn)定工作，電源旁路是十分必要的。值得注意的是要選擇一個(gè)在去耦頻點(diǎn)阻抗最低的電容。例如，1000pF的電容并不適合高頻去耦，因?yàn)樗淖畹妥杩钩霈F(xiàn)在幾百M(fèi)Hz頻率以下。在5GHz頻點(diǎn)，自激振蕩頻率會(huì)使它更像一個(gè)電感器。所以，高頻去耦時(shí)電容一般應(yīng)小于10pF并放在靠近IC的地方。對(duì)于低頻去耦，1000pF與0.01µF的電容一起使用是一個(gè)很好的選擇，而且它們不必直接放在IC引腳處。

輸入和輸出匹配

MAX2648 LNA是高增益微波器件，為了在高頻端穩(wěn)定工作，它需要合適的輸入和輸出匹配電路。普通的SMT電容和電感通常具有低于6GHz的自激振蕩頻率。當(dāng)使用MAX2648進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要注意避免使用自激振蕩頻率低于6GHz的元件。

為了確保MAX2648的高頻穩(wěn)定性，應(yīng)該在輸出端使用一個(gè)小的容性短截線作為匹配電路的一部分。如果LNA輸出端采用感性終端匹配(尤其是與耦合電容串 聯(lián))會(huì)導(dǎo)致高頻振蕩，這需要在設(shè)計(jì)中注意避免。較長(zhǎng)的傳輸線會(huì)產(chǎn)生電感效應(yīng)，建議使用容性短截線以補(bǔ)償這部分額外的電感。當(dāng)頻率很高，集總元件顯現(xiàn)出電感 特性時(shí)，容性短截線能夠在它與地之間提供一個(gè)很好的電容。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，將一個(gè)呈現(xiàn)高頻振蕩的電路仿真與一個(gè)沒有振蕩的電路仿真進(jìn)行比較。需要說(shuō)明的 是，仿真中使用的元件模型在超過(guò)其規(guī)定的頻率時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障。精確的高頻分析是困難的，但是電路仿真確實(shí)能夠說(shuō)明其總的趨勢(shì)，為粗略估計(jì)電路特性提供一種有 用的工具。

圖1是一個(gè)工作在13.5GHz左右、不穩(wěn)定電路的ADS仿真曲線。此時(shí)的輸出匹配電路全部使用集總元件。如下面的原理圖所示。


圖1. 使用集總元件時(shí)的ADS仿真


圖2. 輸入和輸出匹配電路的設(shè)計(jì)圖(0.4mm線路電阻為50Ω)

圖3所示為使用容性短截線得到的結(jié)果，容性短截線通過(guò)在輸出端使用一個(gè)較寬的微帶線實(shí)現(xiàn)。電容量大致可按下面的公式計(jì)算：

圖3. 輸出端使用容性短截線的ADS仿真


圖4. 2mm x 4mm短截線的布線圖(0.4mm引線電阻為50Ω，微帶線的長(zhǎng)度標(biāo)在圖上)

微帶線尺寸大約為2mm x 3.5mm，介電常數(shù)4.1，襯底厚度0.2mm，容值約為1.27pF，忽略邊緣效應(yīng)。為便于調(diào)諧，與地之間并聯(lián)了一個(gè)電容。根據(jù)需要將輸入和輸出旁路電容的位置調(diào)整到可獲得最佳噪聲系數(shù)和增益的位置。

總結(jié)

輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是確定低噪聲放大器性能的關(guān)鍵因素。本應(yīng)用筆記給出了一個(gè)確保MAX2648在所有頻率下穩(wěn)定工作的簡(jiǎn)單方法，即在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中使用一個(gè)容性微帶線。不同的應(yīng)用需要的匹配網(wǎng)絡(luò)會(huì)稍有不同，但其基本原理對(duì)大多數(shù)情況都是適合的。