面向移动电视应用的低噪声放大器设计及应用电路解析

作者：郭学锋

射频系统应用工程师

英飞凌科技

今天,生活在都市的人,无论走进城市的公交、地铁、商场或写字楼， 都能感受到自己与这个世界保持同步，因为无论在哪里，移动多媒体数字电视都能给您传递无时无刻的信息，这是对坐在家里看电视的传统方式的颠覆，这样的方式正在改变人们的生活。随着移动数字电视应用的日益广泛，除了车载多媒体显示系统，手机、MP4、上网本、PDA等小屏幕、方便携带的多媒体显示设备也向我们显示了更时尚、更复杂的功能。世界已经进入了网络时代，各种信息确实可以“无处不在，无时不在”。人们对移动性和方便性的需求，使移动数字多媒体广播的出现成为必然。

移动电视市场

移动电视功能是下一代高端通信产品的主要特色，包括手机、个人媒体播放器和笔记本电脑等便携式设备。根据英国市场研究公司Datamonitor的报告，未来几年，移动电视将实现海量增长，其全球用户数将由2007年的440万增加至2012年底的1.55亿。亚太地区对移动电视的需求量最大。在日本，50%以上的新款手机具备了移动电视功能。预计2011年CMMB终端的出货可超过3000万，其中TD手机会超2000万台，其它市场机会在CMMB车载、CMMB平板电脑、CMMB+MP4市场。表1 是全球移动电视标准。CMMB的卫星信号应用的S波段(2635-2660MHz)进行覆盖, 城市地面信号使用U波段(470-862MHz)进行覆盖。信道带宽是2MHz或者8MHz，取决于数据速率。

表1 全球移动电视标准一览表

移动电视射频前端设计挑战

由于大部分便携式移动电视终端的尺寸越来越小，造成系统电路的稳定性及对外界的抗干扰能力越来越差。加之移动电视工作的环境比较复杂，所以在移动电视IC前加外置LNA是必要的。而且为了保证画面质量，低噪放高的增益平坦度非常重要。

另外，为了防止带外强信号干扰或阻塞有用信号,需要在低噪放前加一个滤波器。移动电视射频前端系统设计的最大挑战在于，要获得较高的动态范围、提高系统在室内或者隧道内的接收灵敏度、满足严格的MBRAI需求。移动电视射频前端框图如图1所示。

图1 移动电视射频前端框图。

英飞凌科技公司(Infineon Technologies)的BGA28L7是为数不多的、在强弱信号条件下都能保证接收器灵敏度并兼具优异RF性能的移动电视专用LNA之一。下面详细介绍BGA28L7的技术特点和应用设计电路。

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BGA728L7技术特点

BGA728L7覆盖了世界上移动广播电视服务的绝大部分频段，其频率范围从170MHz到1675MHz。支持多种标准的移动电视。例如:DVB-T、DVB-H、ISDB-T、MediaFLO、T-DMB以及CMMB。

1. 低噪声系数和高的增益平坦度特性

噪声会给通信系统带来不利的影响，会大大降低通信系统的灵敏度。接收机整机的噪声系数主要由第一阶低噪放的噪声系数决定。这就意味着低噪放的噪声系数越小，接收机的灵敏度就可以越高。另外，由于移动电视的调制解调方式对低噪放的增益平坦度有较高的要求，较高的增益平坦度可以保证不同频点的灵敏度，从而保证较好的画面质量。

因此，噪声系数低的低噪放有助于提高移动电视接收机的灵敏度。BGA728L7的噪声系数低至1.3dB，它是世界上采用硅锗（SiGe）技术，拥有低噪声系数的MMIC之一。另外，BGA728L7的增益可以达到15.8dB，并且在工作频带内增益平坦度小于1dB，可以大大提高移动电视在微弱信号情况下的接收灵敏度。

2. 高的线性度及动态范围特性

阻隔干扰是接收系统的另一个设计挑战。移动电视接收器必须的宽频带导致大量潜在的无用干扰信号，这些信号必须利用接收器的动态范围加以解决。非线性LNA会产生很高的谐波失真，这些谐波产物会落在接收频段，从而降低移动电视接收器的RF灵敏度。描述LNA的线性特性有两个主要参数：输入三阶截止点(IIP3)和输入1dB压缩点(IP1dB)。

BGA728L7在高增益模式下，IIP3可以达到-7dBm，输入1dB压缩点可以达到-10dBm。通过转换到低增益模式，IIP3可以达到16dBm，输入1dB压缩点可以达到3.5dBm，这时低噪放可以有效处理较高的输入功率，从而提高系统的动态范围约20dB。可变射频信号增益简化了对混频器级的线性要求，从而允许使用低成本的射频IC来构建接收模块。与固定增益接收器相比，可调增益接收器能更好的处理强信号。3.5μS的快速转换时间足够支持移动电视的时隙。

3. 较低的功率消耗

对任何采用电池供电的设备而言，如何提高电池的使用时间是一个关键问题。低功耗意味着工作时间更长。为实现这个目的，产品设计工程师可以采用容量更高的电池，也可以降低系统功耗预算。当然，如果不考虑设计成本，同时采用这两种方法是再好不过的，但这往往不现实。

BGA728L7集成了高低增益/关闭功能，可以降低接收器的电流消耗。在“关闭”状态下，BGA728L7只需要5uA待机电流，在高增益状态下，总电流消耗为5.85mA。在低增益状态下，总电流消耗仅为0.55mA。可以大大增加电池使用时间。

4. 高稳定性和可靠性

用户非常希望移动电视具有很高的稳定性和可靠性，特别是便携式移动电视系统。BGA728L7集成有源偏置电路，其工作电压为1.5~3.6V。在这个电压范围内，其射频性能的改变随供电电压及外界环境温度的变化比较小。因此工程师不用担心低电池电量条件下或恶劣环境条件下低噪放性能的下降。

1KV的片上ESD保护可以避免制程中低噪放的损坏。此外，为了保证移动电视系统的ESD保护特性，在低噪放输入端增加ESD保护器件是十分必要的。英飞凌公司的ESD0P8RFL/ESD0P2RFL及ESD5V3U1U都可以应用于移动电视天线的保护。相比其他公司的ESD产品,英飞凌的ESD保护器件具有容值低,动态电阻小,保护等级高及漏电流小的特点。这些都大大增强了系统的可靠性.

5. 小封装及较少的外围器件

BGA728L7不仅集成了高性能的SiGe三极管，而且还集成了有源偏置电路、反馈电路及输入/输出匹配电路。它仅仅需要3~4个外围无源器件就可以工作，而市场上其他的厂家的设计需要约5至10个外围器件。这样，移动电视和便捷终端的系统设计工程师可以花费极少的时间用BGA728L7轻松完成紧凑的低功耗移动电视设计。

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应用电路

从图2我们可以看到，BGA728L7的应用电路非常简单，只需要两个电容一个电感，共三个外围器件。这不仅大大简化了电路设计者的工作，而且在通讯器材日趋小型化的今天，极大地缩小了PCB面积。以下图3，图4为该电路的测试结果：

图2 基于BGA728L7的应用电路

图3 增益曲线（高增益模式）

图4 噪声系数曲线（高增益模式）

在移动电视信号比较强时，我们可以转换到低增益模式，以增大系统的动态范围。

从图3，图5我们可以看到，无论低噪放工作在高增益还是低增益模式下，其增益平坦度都在1dB内。在供电电压分别在1.8V和2.8V时，增益特性和噪声特性变化都比较小。这样在接收移动电视信号时，电视画面才会稳定清晰顺畅。

图5 低增益模式下，低噪放的增益曲线。

另外，低增益模式下，低噪放起到衰减信号的作用，保证移动电视系统在较强信号下正常工作。由图5，低噪放在高增益工作模式下，其噪声系数为1.3dB左右，低的噪声系数保证了弱信号时移动电视具有比较高的接收灵敏度。在低增益模式下，低噪放的差损基本和噪声系数的值相等。低增益模式下，由于信号较强，为避免移动电视IC饱和，低噪放起到衰减器的作用。

本文小结

本文概述了全球移动电视市场、标准以及系统设计难点，并主要介绍了英飞凌科技的移动电视专用低噪放BGA728L7的性能特点和应用电路。BGA728L7适合各个标准的移动电视频段，使用简单，可以大幅缩短产品设计周期，加快产品上市进程。

本文来自《电子工程专辑》2011年12月刊，版权所有，谢绝转载。