引言
低噪声放大器（LNA）是任何接收链路中的关键组件。其目的是放大接收天线捕获的极微弱信号，同时向信号添加最小的噪声功率。如今，Mini-Circuits 提供了大量可供客户选择的 LNA，包括 MMIC LNA 和带连接器版本。
Mini-Circuits 最近发布的一款型号是 TSS-23ULN+ 。TSS-23ULN+ 的工作频率范围为 10 MHz 至 2 GHz，并配备电压控制关断功能。该器件采用单路 +5 V 直流电源供电，典型电流消耗为 71 mA。TSS-23ULN+ MMIC LNA 的一个显著特点是其尺寸小巧，采用 2 × 2 mm、8 引脚 QFN 封装。TSS-23ULN+ 适用于广泛的应用领域，包括蜂窝基础设施、卫星通信（satcom）、雷达等。
图1
在本应用笔记中，将展示如何使用 TSS-23ULN+ 设计一款工作频率范围为 1700 至 2000 MHz 的 LNA。文中演示了一个应用电路，以便清晰了解如何使用该器件。同时提供了实测数据，以说明可达到的性能水平。
TSS-23ULN+ MMIC LNA 的功能特性
图2 显示了 TSS-23ULN+ 的功能框图
引脚 2 用于将射频输入信号连接到器件，引脚 7 用于同时连接射频输出信号和直流电源电压（VDD）。虽然 VDD 的典型值规定为 +5 V，但 VDD 的范围可从 +2.7 V 到 +5.25 V。此外，引脚 6 是关断电压（VSHUTDOWN）引脚。对该引脚施加 0 V 可将 TSS-23ULN+ 设置为 ON 状态。当施加电压高达 +1.3 V 时，ON 状态仍然有效。要将 TSS-23ULN+ 设置为 OFF 状态，必须对 VSHUTDOWN 引脚施加至少 +1.4 V 的电压。对于 OFF 状态，数据手册规定的典型条件为 VSHUTDOWN = VDD（即当 VDD = +5 V 时，VSHUTDOWN = +5 V；当 VDD = +3 V 时，VSHUTDOWN = +3 V，以此类推）。
引脚 1 用于电流调整。对于标称工作，该引脚必须悬空。引脚 3、4、5 和 8 在内部未使用。它们可以连接到地或悬空。最后，与 QFN 封装一样，TSS-23ULN+ 有一个裸露焊盘（即散热片），必须连接到地。
LNA 应用电路
为了充分展示采用 TSS-23ULN+ MMIC LNA 的 LNA 应用电路，我们将其规定的工作频率范围从 10 MHz 至 2 GHz 缩小到目标频率范围 1700 至 2000 MHz。虽然 TSS-23ULN+ 可被视为宽带器件，但本电路设计的目标是在 1700 至 2000 MHz 的特定频段上优化性能。由于该频段用于各种蜂窝应用，因此该 LNA 可能同时适用于蜂窝基础设施和用户设备。
图3 显示了包含 TSS-23ULN+ 器件的应用电路原理图
此处，VDD 设置为 +5 V，VSHUTDOWN 设置为 0 V。原理图中包含了用于匹配和直流偏置的适当电容和电感。L1 和 C1 代表输入匹配网络。请注意，R1 仅是一个 0 Ω 跳线电阻。L2 用作射频扼流圈，C2 用作直流隔直电容。L2 和 C2 也代表输出匹配网络。最后，C3 和 C4 用作射频旁路电容。
图4 显示了一个组装好的测试板
请注意，基板为 10 mil Rogers 4350B。在这种情况下，引脚 3、4、5、8 和散热片连接到地，引脚 1 悬空。最后，表1 列出了该电路使用的所有元件。
表1
优化性能：增益、隔离度、回波损耗和噪声系数
现在，通过查看测试板的实测数据，我们可以看到电路性能的优化程度。增益、隔离度以及输入/输出回波损耗使用矢量网络分析仪（VNA）测量。噪声系数使用噪声系数分析仪配合噪声源测量。最后，为了展示非线性性能，还使用 VNA 测量了 1 dB 压缩点输出功率（P1dB）、输出三阶截点（OIP3）和输出二阶截点（OIP2）。请注意，所有测量均对应完整的测试板及射频连接器（即未从测量结果中去嵌入任何元件）。
图5 显示了实测增益、隔离度、输入回波损耗和输出回波损耗
增益在 1700 MHz 时为 15.4 dB，在 2000 MHz 时为 14 dB。在目标频率范围 1700 至 2000 MHz 内，隔离度大于 21 dB。对于输入和输出回波损耗，电路在目标频率范围内分别实现了大于 16 dB 和 10 dB 的值。
图6 显示了在 10 MHz 至 10 GHz 的宽频率范围内进行相同测量的结果
图7 显示了稳定系数（K）和稳定度量（B）
结果表明电路实现了无条件稳定。
当然，噪声系数是任何 LNA 的关键参数。
图8 显示了完整 LNA 电路的实测噪声系数
我们看到，在目标频率范围 1700 至 2000 MHz 内，最大噪声系数约为 0.6 dB。
非线性性能
图9
除了如前所述实现高增益和低噪声系数外，TSS-23ULN+ MMIC LNA 还实现了高 P1dB 和 OIP3 水平。为证明这一点，图9 显示了实测 P1dB。结果表明，在 1700 至 2000 MHz 的频率范围内，P1dB 约为 +20 dBm。对于一款仅以 +5 V、71 mA 偏置的器件来说，这些结果令人印象深刻。
图10
图10 显示了目标频率范围内的实测 OIP3，所有频率的输出基波电平均设置为固定值 +4 dBm。请注意，基波间隔为 1 MHz。结果表明，在目标频率范围内 OIP3 大于 +35.5 dBm。图10 还显示了输出基波电平从 +4 dBm 到 +14 dBm 范围内的实测 OIP3。结果展示了三个频率：1700、1850 和 2000 MHz。同样，基波间隔为 1 MHz。
图11
在某些情况下，OIP2 也可能是一个重要参数。图11 显示了目标频率范围内的实测 OIP2。同样，输出基波电平设置为固定值 +4 dBm。图11 还显示了输出基波电平从 0 到 +14 dBm 范围内的实测 OIP2。结果再次展示了 1700、1850 和 2000 MHz。请注意，基波仍然间隔 1 MHz。另请注意，所示结果对应于二阶和项（f1 + f2）。
结论
在本应用笔记中，展示了 Mini-Circuits 的 TSS-23ULN+ MMIC LNA 在用于构建优化于 1700 至 2000 MHz 频段使用的 LNA 电路时的性能表现。在该频率范围内，该 LNA 电路实现了高增益（最小 14 dB）、极低噪声系数（小于 0.6 dB）、高 P1dB（约 +20 dBm）和高 OIP3（+35.5 dBm）。所有这些性能均来自一款采用单路 +5 V 直流电源供电、仅消耗 71 mA 电流、并采用小巧的 2 × 2 mm QFN 封装的器件，可轻松集成到密集排布的印刷电路板（PCB）布局中。此外，电压控制关断功能使 TSS-23ULN+ 能够在不使用时快速禁用，以节省功耗。
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