Broadcom 基地局性能要求に応える高集積LNA 仕様

ブランド: Broadcom

モデル: 基地局性能要求に応える高集積LNA

タイプ: 仕様

基地局性能要求に応える高集積LNA

Whitepaper

Chin-Leong Lim

無線ブロードバンドの需要の増大に伴って、携帯電話基地局(BTS)

性能の重要性も高まっています。アンテナ・タワー上の低雑音アン

プ(LNA)は、BTS性能を高めるための重要な要素であり、基地局の

カバー・エリアと近くにある送信機の許容範囲の両方に影響を及

ぼします。アバゴ・テクノロジーのMGA-63xシリーズなどのアクティ

ブ・バイアス回路を備えた高集積LNAは、BTS性能を高めるのに必

要とされる雑音指数と線形性を提供します。

携帯電話基地局(BTS)の設計は、タワー・サイトを多数の無線送信

機と共有しながら広いカバー範囲を提供しなければなりません。

そのため、サービス・プロバイダは、できるだけ少ない数のタワー・

サイトを使用してカバレッジを提供し、そのサイトのコストを他の

ユーザと共有します。そのようなカバレッジおよび共有要件を満た

すために、BTSアーキテクチャは、遠くの携帯電話信号を受信でき

る高い感度を備えかつ近くの無線送信機からの強い帯域内およ

び帯域外送信を除去する受信機が必要です。

受信機感度は、無線受信機が復元できる最も弱い信号を規定し、

受信機信号帯域幅(BW、Hz)と信号が対応しなければならない情

報速度を含む多くの要素の積です。この感度は、次のように表すこ

とができます。

Rx_sen (dBm) = -174 + 10log BW + SNR + F (1)

ここで、SNRは、望みの情報速度に対応するために必要な信号対

雑音比であり、Fは、システム雑音指数である。フリース式は次のよ

うに表されます。

– 1 F

– 1

F = F

+ + + ..... (2)

ここで、Gnは、受信チェーンのn段目のゲインであり、この式から、

受信機チェーンの1段目の増幅段の雑音指数(F1)が、システム全体

の雑音を決定し、その後の段の雑音性能（すなわち、F2、F3など)は

あまり重要でないことが分かります。したがって、1段目の低雑音ア

ンプ(LNA)で、カスケード雑音指数Fを最小にすることによって受信

機感度を改善します。

現在の携帯電話基地局(BTS)は、一般に、空中タワーのアンテナの

近くにLNAが置かれています。この配置により、アンテナからLNA

が遠く離れた場合のLNAまでタワーを下るケーブル損失によって

起こる雑音指数の低下が小さくなります。BTSアーキテクチャでは、

一般に、LNA段の前にさらに2つの要素、すなわち、共通アンテナ

のための送信受信(TxRx)デュプレクサと、帯域外除去または感度

低下を防ぐ干渉フィルタが入れられます。そのようなデュプレクサ

とフィルタの損失は、増幅前に生じるので、SNRをできるだけ高く

維持するには損失を小さくする必要があります。しかしアンテナ近

くにLNAを使用することにより、雑音性能に余裕のあるLNAは、

デュプレクサとフィルタの損失要件を緩和することができます。

BTS設計におけるLNAは、低雑音指数の他に重要な性能要件に対

応しなければなりません。そのような要件には、タワーに取り付け

られたLNAを地上の無線機器に接続する長いケーブルの損失を

克服する高利得と、高線形性があります。高線形性は、強い信号を

処理するときに相互チャネル干渉を引き起こす可能性があるひず

みを防ぐために必要です。

アンプ設計における低雑音技術

高利得と高線形性は重要ですが、LNAの雑音指数は最も重要な

特性です。アンプの雑音指数(F)に影響を及ぼす可能性のある設

計および製造技術はたくさんありますが、そのいくつかは、BTS用

途に適していません。たとえば、フクイの式は、電子アンプの物理

的温度(T

PHY

)がその雑音指数に直接影響することを示します。こ

の関係から、閉サイクルヘリウム冷却を使ってT

PHY

をほぼ0Kまで

下げることが、利用できる最も有効な雑音低減方法であることが

分かっています。しかし、極低温冷却の保守問題と高コスト(冷却

器1台当たり約1万米ドル)は、そのような冷却を、電波望遠鏡や惑

星探査機用地上局などの最も性能重視の用途以外には非実用的

なものとしています。

アンプのFに強い影響を及ぼす他の要素は、比較的制御可能で

す。たとえば、トランジスタを製造する半導体の選択は、Fに大き

な影響を及ぼします。インジウムリン(InP)などの先端材料は、き

わめて高い雑音性能を可能にします。しかし、そのような材料は、

一般に、通常の商業用途にはコストが高すぎます。他方、シリコン

CMOSは、非常に高いコスト対利益を提供しますが、ほどほどの雑

音レベルしか提供しません(表1)。ガリウムひ素材料、特に、高性能

な高電子移動度トランジスタ技術(pHEMT))は、コストと性能のバ

ランスが優れています。

表1．LNA半導体技術の雑音性能とコストの相対比較

技術雑音評価ウェハ・コスト/mm

InP HEMT Very good $10

GaAs pHEMT Very good $2

GaAs HBT Good $2

Si CMOS Fair $0.01

また、パッケージの選択は、ICリードと内部配線のまわりの材料中

のEM場エネルギーの放散による高周波信号の減衰により、雑音

性能に影響を及ぼすことがあります。70年代と80年代、低雑音マイ

クロ波増幅器は、一般に、セラミックがきわめて低損失のため(損

失係数tanδ=0.001)、セラミック・パッケージ・デバイスを使用し

ていました。さらに、セラミック・パッケージは、P C Bトレースと同じ

幅のストリップ線リードを使用して不連続を最小にすることがで

きました。90年代では、コスト削減のためにSOT-23やSC-70など

のプラスチック表面実装パッケージ(SMP)に移行した結果、高損失

（tanβ=0.006～0.014）のエポキシ封止によりパッケージの雑音

性能は大幅に低下しました。さらに、マイクロストリップ線とワイ

ヤおよびリード接続での急激な幅の変化が反射損失を大きくして

いました。

デバイス・レベルでは、トランジスタのサイズ(すなわち、ゲート長)

を縮小することによって、雑音を始めとするほとんどのRFパラメー

タを改善することができます。たとえば、CMOSサイズを0.18μm

から90nmに縮小すると、約1GHz時の雑音が0.2dB改善されるこ

とが知られています。欠点は、製造コストがきめて高いことでした。

そのようなデバイス・レベル技術の他に、雑音を低減するための

回路レベルの技術があります。たとえば、アンプ設計では、インピ

ーダンス整合が必要です。しかし、入力信号のアンプへの伝送を

最大にする入力共役整合(Γ

)と、雑音指数を最小にする最適雑

音整合(Γ

opt

)とに大きな違いがあることがあります。この違いによ

り、通常、ジェネレータと入力のインピーダンス変換比と共に増大

する入力反射ロス(IRL)を回避するために、整合におけるアンプの

雑音性能を犠牲にしなければなりません。IRLは、空洞共振器また

は銀めっき共振器によりアンプの無負荷Qを大きくすることによっ

て最小にすることができますが、そのような特別な部品は、大量生

産商品ではなく高コストです。

しかし、小さなインダクタンス(L

)をソースと接地の間に追加する

ことによって、Γ

-Γ

opt

の違いを小さくして、入力共役整合を優先

しても雑音指数の犠牲を小さくすることができます。この技術を使

用すると1.95GHz時に0.15dBも雑音が減少すると報告されていま

す。しかし、実際には、周波数応答の望ましくないピークが使用帯

域より高い周波数に起こることを防ぐため、理想より少ないL

しか

追加することができません。

もう1つの雑音低減回路技術は、整合による損失を低減するため

の並列LNA接続です。FET型デバイスは、比較的高い最適雑音イン

ピーダンス(Z

opt

)を持ち、そのようなトランジスタを2つ以上並列

接続することによって、Z

opt

とジェネレータ・インピーダンス(Z

)と

の不整合を少なくし、雑音を減少させることができます。この方法

を使用する設計としては、76～109MHz VHF FM放送周波数で3並

列のFETと、1.4GHzで2並列のHEMTが報告されています。

アバゴMGA-63xデバイスの特長

MGA-63xシリーズのマイクロ波モノリシック集積回路(MMIC)LNA

デバイスの製造に際し、アバゴ・テクノロジーは、雑音低減技術の

うちでも最も有効な技術を採用しました。デバイス・パッケージ

は、ワイヤ接続リードフレーム・パッケージ固有の多数の反射を発

生させる不連続点をなくすコンパクト(2×2×0.75mm)な8ピン・

クワッド・ノンリード(QFN)構造を使用しています。デバイス・シリ

ーズの各製品は、同じピン配列とフットプリントを使用しており、部

品の置き換えにより、1つの回路基板設計で400MHz～4GHzの多

数の周波数帯に対応することができます。

MGA-63xシリーズの製造技術は、高い利得帯域幅積(f

>30 GHz)

を有するアバゴ独自の0.25mガリウムひ素エンハンスメントモー

ド仮像高電子移動度トランジスタ(ePHEMT)プロセスです。この特

性によって、LNAのターゲット利得(0.9GHz時に>17dB)を1つのト

ランジスタ段で実現することができます。このプロセスは、金属を

従来のプロセスの2倍の厚さにすることによって、相互接続で生じ

るジョンソン雑音を最小にします。さらに、高導電性メタライゼー

ションの使用により、パッケージ・デバイスの雑音指数がセラミッ

ク・デバイスと同等になります。

この製造技術は、強い信号がある状態でゲインを下げFを高める

ことによって受信機の感度を低下させて、MGA-63xシリーズの耐

ブロッキング性能を高めます。同じタワーを共用する高出力送信

機などの非同期干渉、または同時送受信機能を持つトランシーバ

内のサーキュレータ、またはデュプレクサの後段に漏れる送信信

号のような信号により、ブロッキングを引き起こすことがあります。

利得圧縮値の高い部品は、ブロッキング耐性を改善します。ゲイン

圧縮は、主に、アンプの非線形特性により起こり、非線形領域での

使用は発熱量を増大させます。プロセスのニー電圧(0.3V)が低い

ため、信号がクリッピングされるまでに大きな電圧振幅が可能に

なり、デバイスの利得圧縮しきい値が高くなります。さらに、GaAs

基板の比較的低いバルク導電率は、熱損失を最小にするのに役

立ちます。

MMIC自体は、単一FETコモン・ソース増幅器とアクティブ・バイア

ス回路からなります(図1)。アクティブ・バイアスは、LNAの動作の

線形性を改善するのに役立ちます。ソース・インダクタンス(L

)が

小さいため、1つのΓ

値で同時にIRLを改善しFを小さくすること

ができます。(仕様の詳細は、データシートをご参照ください。)

アクティブ・バイアスとLNAトランジスタは集積されているので、同

じプロセスで作られ、V

bias

とV

が互いに「ミラー」の関係となりま

す。このミラーリングによって、熱による特性変化を補償してIdsを

温度に対して安定させることができます。また、ウェハ・ロット間の

相互コンダクタンスのばらつきを補償することができます。その結

果、MGA-63xシリーズは動作の均一性を提供します。

バイアス・レギュレータは、外部供給電圧V

bias

により、またはV

からバイアス入力に抵抗を接続することによって、LNAの無入

力電流(Ids)を調整します。レギュレータの駆動電流はとても低く

bias

≦1mA)、ほとんどのCMOS ICと互換性があり、時分割多重

(TDM)用途でLNAをオン・オフする場合でも、マイクロコントロー

ラから直接制御することができます。

調整可能なバイアス機能により、線形性と電力消費のトレードオ

フでバイアスを決定することができます。あまり高い線形性を必

要としない用途では、標準(6.8kΩ)より大きいR

bias

値を使用する

ことによって、電力を節約することができます。または、Iddを25

～75mAで変化させることによって、利得と出力電力整合の影響を

最小に保ったまま(ΔGとΔP1dB≦0.5dB)、LNAのOIP3を10dBの

範囲で変化させることができます。これにより、マイクロコントロー

ラでV

bias

を調整して周波数が密集している場合にも適応可能な

LNAを設計することができます。

トランジスタの設計と集積されたバイアス・レギュレータは、LNA

のFを大きくする挿入損失の増大を招く外付け整合回路を不要に

します。トランジスタの形状は、入力インピーダンスが50Ωに近づ

くように決められ、その標準バイアス電流が決定されます。集積さ

れたアクティブ・バイアス・レギュレータ回路が、外付け抵抗バイア

ス回路のようにLNAの入力インピーダンスに影響を及ぼすのを防

ぎます。これらの特長は、入力整合の必要をなくすことでLNAの雑

音指数を最小します。

[7] RFout

Vbias [1]

RFin [2]

NU [3]

NU [4]

[8] NU

[6] NU

[5] NU

AMP

ACTIVE

BIAS

ESD

PROTECT

図1. MGA-63xシリーズは、高利得トランジスタとアクティブ・バイアス回

路を一体化した高線形性と低雑音指数を備えた高集積LNA

C1, C2 100 pF Murata GRM15

L1, L2 33 nH Toko LL1005

C4 27 pF Murata GRM15

C3, C5 4.7 µF Murata GRM15

R1 9.1 Ohm

Q1 MGA633P8 Avago

注: SMD部品はすべて0402サイズ

評価回路による特性の確認

MGA-63xシリーズの優れた性能を確認するために、MGA-633P8

MMICと整合およびバイアス用の受動部品を最小限に抑え

た、900MHzで動作する携帯電話基地局用LNA(図2)を作製し特性

を確認しました。部品の値は、代表的な設計を使用し、最適化はさ

れていません。評価ボードのシミュレーションと開発の詳細は、ア

バゴ・アプリケーションノート「AN-5457, MGA-633P8 GaAs MMIC

LNA Enables 900 MHz BTS Amplier with Industry Best Noise

Figure and Linearity」をご参照ください。この評価ボードを測定す

ることで、MGA-63xシリーズを使用したLNAの重要な特長が確認

できます。

デモ・ボードでは、入力インダクタ(L1)はRFチョークとしてのみ働

くので、アンプの入力損失は、入力共振器の無負荷Q値(Q

)に影

響されません。シミュレーションから、20～100のQ

でDF<0.05で

す。このことから、アンプの入力用インダクタとして、0402サイズの

低価格多層チップ・インダクタや、サイズの大きな空心インダクタ

を使用できます。このように入力部品の共振を考慮する必要がな

く、低価格で小型のLNA設計が可能になります。

評価ボードのプリント回路基板(図3)は、LNAをどれだけ小

さいスペースで構成できるかを表しています。基板の寸法は

21.5×18×1.4mmで、10mil厚のRogers RO4350上にコプラナ―

・グランドを有するマイクロストリップを使用し、FR4プロセス

互換の適度なRF性能を備えた中間価格の材料を使用していま

す。RO4350のグランド・プレーンに厚さ1.2mmの低価格FR4材料

により、十分な強度をもちます。RF接続は、マイクロストリップに接

続されたSMAコネクタ(Johnson Component P/N 142-0701-856)

を使用し、DC電源は、2ピンのPCBヘッダによって接続されていま

す。入力共振を考慮する必要がないので、0402サイズのチップを

使用して、部品が占める面積を8×10 mm

に抑えています。

900MHzでは、LNAはF≒0.3dB、利得(G)≒18dBとなり、入出力

リターンロス(IRLとORL)は、-15dBを超えました(図4)。このような

1GHzを超える範囲での良好なリターンロスは、入出力整合を広

帯域で可能にし、LNA設計の観点からきわめて好ましいものです。

従来より、BTS LNAは、望ましい入力整合を達成するために、アイ

ソレータまたは直交位相ハイブリッド結合器(平衡型LNA)を使用

してきました。このMGA-63シリーズを用いた設計の良好なIRL特

性により、多くの用途で高損失と高価なアイソレータ/直交位相結

合器を使用する必要がなくなります。さらに、入出力整合の帯域幅

がきわめて広いので、終端での反射によるBTSのダイプレクサと

入出力フィルタの特性変化が防止され、そのようなシステム要素

の複雑さ、およびコストが低下させることができます。

C1 C2

in out

Vdd

[2]

[1]

[3]

[4]

[7]

[8]

[6]

[5]

BIAS

図2. アバゴMGA-63xシリーズを用いた900MHz BTS LNA設計例

図3. LNA全体（黄色点線）はPCBのRF入出力用コネクタを含めた面積

より小型

8 x 10

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Avago, Avago Technologies, and the A logo are trademarks of Avago Technologies in the United States and other countries.

AV02-3191JP - January 6, 2012

MGA-63xシリーズの主なターゲット市場は狭帯域携帯電話基地

局ですが、評価ボードで確認されたRF性能(400MHz～1400MHz

でF<0.4dB、R<-10dB)から、これらのデバイスが、ケーブル/衛星テ

レビ配信基地局、スキャナ、軍事用途、マルチサービス・ラジオな

どの多くの広帯域/多帯域用途にも適していることが分かります。

評価ボードによって、MGA-63xシリーズのアクティブ・バイアス超

低雑音アンプが、基地局設計に多数の重要で価値ある特長を提

供することが確認できます。これらのデバイスは、携帯電話通信に

必要な高線形性と低雑音指数を提供するだけでなく、LNAを一段

で設計のための高い利得、信号経路のデュプレクサ、フィルタの要

求仕様を緩和できる利得の余裕、適応電力/線形性制御のための

アクティブ・バイアス制御、および50Ω入力インピーダンスにより、

整合回路を不要にします。その結果、より単純でより小さく、より高

性能なLNA設計をより低価格で実現することができます。

図4. 利得とリターンロスのグラフは、LNAの整合ネットワークが周波数

の影響をあまり受けないことを示す

S11 mes S22 mes

S11 sim S22 sim

S21 mes

S21 sim

IRL, ORL & G vs. Frequency

-5

-10

-15

-20

-25

Centre: 900.00 MHz Span: 1.00 GHz#2, 5 V 53 mA

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