MAX2640 LNA的S参数测量和稳定性分析

MAX2640 LNA的稳定性分析采用S参数测量。多个测试用例证实了S参数数据的有效性，并且该器件在高达5GHz的频率下是稳定的。本文建议使用VCC线路所需的电感量，以获得最佳稳定性。它还总结了汽车无钥匙进入应用在315MHz下的性能以及所需的匹配。

介绍

在本应用笔记中，我们对MAX2640 LNA进行了S参数测量，然后利用这些S参数测量值进行了稳定性分析。当我们匹配315MHz操作的LNA时，S参数测量的有效性得到了证实。结果分析将表明该器件在高达 5GHz 时无条件稳定。最后，我们将推荐Vcc所需的电感量确保最佳稳定性。

MAX2640 LNA，频率为315MHz

下表315总结了该器件在1MHz时的性能。图 1 显示了性能与频率的关系。

表 1.MAX2640性能总结

 

参数	客户目标	MAX2640
ICC (mA)	< 2	3.5
增益（分贝）	> 13	17.4
噪声系数（分贝）	< 2	1.4
输入 P1dB （dBm）	未指定	-26
输入 IP3 （分贝）	-10	-17.25
S11 （分贝）	未指定	-10.5
S22 （分贝）	未指定	-19.3

 

（f = 315MHz， Vcc= 3V）

注意：

输入功率 = -30dBm 每音

图1.MAX2640 LNA性能与频率的关系，适用于315MHz应用

S 参数测量

测试设置

使用两个评估（EV）板和一个网络分析仪（HP8753D）测量MAX2640的S参数。我们移除了第一个评估板（板#1）中的IC，并使用该评估板进行校准。我们在第二个套件（套件#2）中保留了IC，但没有匹配的组件，并使用该套件进行实际测量。

在连接到分析仪的电缆末端执行完整的 2 端口校准。

当我们测量IC的S参数时，没有匹配套件#2中的元件，在套件#1中焊接MAX2640输入和输出引脚的点放置一个短路。（见下面的图 2）。

调整网络分析仪上的端口扩展，直到输入和输出的阻抗在315MHz时尽可能接近短路。使用此校准，我们测量了套件#2中器件引脚处的S参数。

然后，我们修改了套件#1，将短线移动到放置最后一个匹配组件的位置。再次调整网络分析仪上的端口扩展，直到输入和输出的阻抗在315MHz时尽可能接近短路。

接下来，匹配的组件返回到套件#2。IC的S参数和匹配的组件在工作台上测量。

为了确认仅针对IC的S参数的有效性（上述步骤3），将S参数放入ADS（微波仿真软件）中，并添加了匹配组件和传输线的模型。我们还在输入和输出引脚上增加了一个0.5pF电容，以模拟电路板上存在的寄生效应。（附录中的图 18 显示了 ADS 模拟。然后，我们将此设置的性能曲线与IC的S参数数据以及电路板本身上的匹配组件进行了比较（上述步骤5）。

图2.校准电路用于测量MAX2640的S参数。

测试结果

图 3 到图 8 中曲线的标记定义为：

MAX2640_Epcos_1GHz_simulation：仅使用在工作台上测量的IC的S参数进行仿真，并在ADS中添加匹配的组件。

MAX2640_Epcos_1GHz_bench：在将匹配的组件添加到电路板本身后在工作台上测量。

图3.模拟和台架测量之间的 S11 （dB） 比较。

图4.模拟和台架测量之间的S11（相位）比较。

图5.模拟和台架测量之间的 S22 （dB） 比较。

图6.模拟和台架测量之间的S22（相位）比较。

图7.模拟和台架测量之间的 S21 （dB） 比较。

图8.模拟和台架测量之间的S21（相位）比较。

上面的数据显示，两个测试用例的幅度和相位性能非常相似。除了频率的微小变化外，仿真（仅使用IC的S参数，在工作台上测量，并在ADS中添加匹配元件）非常接近实际的工作台性能（将匹配元件添加到电路板本身后在工作台上测量）。因此可以得出结论，MAX2640测量的S参数是可靠的，可用于仿真和稳定性分析。

注意：对于将匹配组件添加到电路板本身的测试，无法进行 S12 测量。该信号的幅度如此之低，以至于分析仪无法进行任何准确的测量。因此，S12幅度和相位曲线未包含在上述图中。

稳定性分析

为了对MAX2640进行稳定性分析，我们现在使用上述相同步骤测量100MHz至5GHz的S参数。进行了三个测试案例：首先，V之间存在9mm的传输线抄送MAX2640的引脚和去耦电容;其次，电容器放置在靠近V的位置抄送尽可能使用引脚;第三，电容器位于5mm之外。

第一个测试用例

将去耦电容放置在距离MAX9的V2640mm处抄送针。传输线的宽度为42mil。这是一个4层、50Ω、受控阻抗板;介电材料为FR4，1oz铜，介电常数~4.5。顶层和内部接地层（第2层）之间的介电厚度为24密耳。从V中看到的电感抄送PIN 是使用此信息模拟的。在5 MHz时，得到的数据约为j5.315Ω，相当于一个2.5nH的电感。图9仅显示了IC的稳定性测量、稳定系数、源极稳定系数和负载稳定系数。图10是源和负载稳定圆圈。

图9.第一个测试用例的稳定性测量、稳定性因子、源稳定性因子和负载稳定性因子。

图 10.第一个测试用例的源和负载稳定性圆圈。

第二个测试用例

在这种情况下，我们将电容器放置在靠近V的位置抄送尽可能的引脚。现在传输线的长度为40mil，在0MHz时看到的电感约为j6.315Ω，相当于一个0.3nH的电感。下面的图 11 显示了稳定性测量、稳定性系数、源稳定系数和负载稳定系数。图12绘制了源极和负载稳定性圆圈。

图 11.第二个测试用例的稳定性测量、稳定性因子、源稳定性因子和负载稳定性因子。

图 12.第二个测试用例的源和负载稳定性圆圈。

第三个测试用例

现在，将去耦电容放置在距离MAX5的V2640mm处。抄送针;传输线的宽度为42mil，在3 MHz时约为j315Ω，相当于1.5nH电感。下面的图13仅显示了IC的稳定性测量、稳定性因数、源极稳定系数和负载稳定系数。

图 13.第三个测试用例的稳定性测量、稳定性因子、源稳定性因子和负载稳定性因子。

图13显示，三种情况下的稳定性因子均大于1，并且稳定性测量值在整个频率范围内为正。此数据符合无条件稳定性的要求。此外，稳定圈在所有频率的史密斯图之外。

第一个测试用例的数据显示，在1.2GHz至5.4GHz频率范围内，稳定性因子安全地高于5，但在5GHz时接近统一。这表明MAX2640在5GHz以上具有工作条件稳定性。然而，第二个测试用例的稳定性因子在2.5GHz至4.5GHz频率范围内接近统一，但在5GHz频率范围内安全高于单位。这意味着该器件可以在 2.5GHz 至 4.5GHz 范围内保持有条件的稳定。对于第三个测试用例，我们将电容器放置在距离 V 5mm 的位置抄送引脚，稳定因子在2.5GHz至4.5GHz频率范围内安全高于单位，远高于5GHz的单位。

因此，从上述分析中，我们得出结论，为了稳定性，去耦电容器的最佳位置是距离V4mm至5mm。抄送引 脚。

原理图和匹配网络

简而言之，使用标准网络分析仪（HP8753D）测量315MHz时LNA输入/输出的S参数，并通过迭代仿真和测量过程确定最佳阻抗匹配电路。这种315MHz的性能和所需的匹配适用于汽车无钥匙进入应用。匹配经过优化，可实现最佳增益和噪声系数。最佳阻抗匹配电路如图14和图15所示。

图 14.MAX2640的评估板原理图，频率为315MHz

MAX2640 LNA的物料清单

 

指定	PT8	描述
Z1	1	100nH电感器 （0603） 线艺 0603CS-R10XJBC
C1	1	1500pF陶瓷帽（0603） 村田制作所GRM188R71H152KA01B
C2	1	150pF 5%陶瓷盖 （0603） 村田GRM1885C1H151JA01
C3	1	10μF 陶瓷电容 （1206） AVX TAJA106D010R
C4	1	470pF 5%陶瓷盖 （0805） 村田制作所GRM40COG471J50V
C5	1	2.2pF 5%陶瓷帽 （0805） 村田制作所GRM40COG022D50V
C6	1	5pF 5%陶瓷帽（0805） 村田制作所GRM40COG050D50V

 

图 15.用于315MHz应用的LNA输入和输出匹配网络。

LNA增益和IIP3的测量设置如下。（请参阅图 16。

IIP3测试使用了标准的双音测试。

两个RF信号发生器通过功率组合器连接到LNA输入。

我们设置第一个发生器（HP8648B）产生314.5MHz，第二个发生器（HP8648B）产生315.5MHz（1MHz音调分离）。两种音调都是在-30dBm下产生的。

使用频谱分析仪（安捷伦 8562EC）测量 LNA 输出端所需音调与三阶产物之间的增益和差异。

我们使用这些测量值以及每个音调的输入功率来找到LNA的IIP3。

图 16.LNA 增益和 IIP3 的测量设置。

噪声系数的测量设置

使用噪声系数计（安捷伦N8973A）和噪声源（HP346A）来确定LNA的噪声系数。下面的图 17 显示了该设置。

图 17.噪声系数的测量设置。

审核编辑：郭婷