MAX2648 5GHz LNA設(shè)計獲得高頻穩(wěn)定性

摘要：射頻輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是確定5GHz LNA性能的關(guān)鍵因素。本應(yīng)用筆記給出了一個確保MAX2648在所有頻率下穩(wěn)定工作的簡單方法，即在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中使用一個容性微帶元件。不同應(yīng)用所需要的匹配網(wǎng)絡(luò)會稍有不同，但基本原理對大多數(shù)情況都是適合的。一個小小的容性短截線就能夠確保穩(wěn)定性。

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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(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)計技術(shù)，這種放大器在頻率大于10GHz時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)計中要考慮的因素

以下是設(shè)計高性能微波LNA時需要考慮的因素：

• 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，因為這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元件將對噪聲系數(shù)產(chǎn)生不利影響。在MAX2648評估板上進行的實驗表明：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，噪聲系數(shù)將損失0.2dB。然而，高Q瓷片電容過于昂貴，不適合批量產(chǎn)品的設(shè)計，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在去耦頻點阻抗最低的電容。例如，1000pF的電容并不適合高頻去耦，因為它的最低阻抗出現(xiàn)在幾百MHz頻率以下。在5GHz頻點，自激振蕩頻率會使它更像一個電感器。所以，高頻去耦時電容一般應(yīng)小于10pF并放在靠近IC的地方。對于低頻去耦，1000pF與0.01µF的電容一起使用是一個很好的選擇，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進行設(shè)計時，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))會導(dǎo)致高頻振蕩，這需要在設(shè)計中注意避免。較長的傳輸線會產(chǎn)生電感效應(yīng)，建議使用容性短截線以補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，容性短截線能夠在它與地之間提供一個很好的電容。為了說明這一點，將一個呈現(xiàn)高頻振蕩的電路仿真與一個沒有振蕩的電路仿真進行比較。需要說明的是，仿真中使用的元件模型在超過其規(guī)定的頻率時會出現(xiàn)故障。精確的高頻分析是困難的，但是電路仿真確實能夠說明其總的趨勢，為粗略估計電路特性提供一種有用的工具。

圖1是一個工作在13.5GHz左右、不穩(wěn)定電路的ADS仿真曲線。此時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. 使用集總元件時的ADS仿真


圖2. 輸入和輸出匹配電路的設(shè)計圖(0.4mm線路電阻為50Ω)

C1	2pF
C2	0.5pF
C3	0.5pF
C4	2pF
C5	1.5pF
C6	1000pF
C7	0.01µF
L1	6.8nH

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

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，微帶線的長度標(biāo)在圖上)

C1	2pF
C2	0.75pF
C3	0.5pF
C4	2pF
C5	1.5pF
C6	1000pF
C7	0.01µF
L1	6.8nH

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)用筆記給出了一個確保MAX2648在所有頻率下穩(wěn)定工作的簡單方法，即在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中使用一個容性微帶線。不同的應(yīng)用需要的匹配網(wǎng)絡(luò)會稍有不同，但其基本原理對大多數(shù)情況都是適合的。