Înțelegerea noțiunilor de bază ale amplificatoarelor de zgomot redus și de putere în proiectele wireless

Impulsul pentru performanță, miniaturizare și funcționarea la frecvențe mai mari provoacă limitele a două componente critice ale unui sistem fără fir conectate la antenă: amplificatorul de putere (PA) și amplificatorul cu zgomot redus (LNA). Această schimbare a fost stimulată de eforturile de a face din 5G o realitate, precum și de utilizarea PA și LNA în terminalele VSAT, legăturile radio cu microunde și sistemele radar cu rețea în fază.

Aceste aplicații au cerințe care includ un zgomot mai mic (pentru LNA) și o eficiență mai mare (pentru PA), precum și funcționarea la frecvențe mai mari, până la și dincolo de 10 GHz. Pentru a satisface aceste cerințe în creștere, producătorii de LNA și PA trec de la procesele tradiționale cu siliciu la cele cu arseniură de galiu (GaAs) pentru LNA și nitrură de galiu (GaN) pentru PA.

Acest articol va explica rolul și cerințele LNA-urilor și PA-urilor și principalele caracteristici ale acestora, înainte de a prezenta dispozitivele tipice GaAs și GaN și ce trebuie avut în vedere atunci când se proiectează cu acestea.

Rolul sensibil al LNA

Funcția LNA este de a prelua semnalul extrem de slab și nesigur de la antenă, de obicei de ordinul microvolților sau sub -100 dBm, și de a-l amplifica la un nivel mai util, de obicei de aproximativ jumătate până la un volt (Figura 1). Pentru a pune acest lucru în perspectivă, într-un sistem de 50 Ω, 10 μV reprezintă -87 dBm, iar 100 μV este egal cu -67 dBm.

În timp ce asigurarea acestui câștig în sine nu este o provocare majoră cu electronica modernă, acesta este grav compromis de orice zgomot pe care LNA îl poate adăuga la semnalul slab de intrare. Acest zgomot poate acoperi orice beneficii ale amplificării pe care o adaugă LNA.

Figura 1: Amplificatorul cu zgomot redus (LNA) al căii de recepție și amplificatorul de putere (PA) al căii de transmisie se conectează la antenă prin intermediul unui duplexor, care separă cele două semnale și previne ca ieșirea relativ puternică a PA să supraîncarce intrarea sensibilă a LNA. (Sursa imaginii: DigiKey)

Rețineți că LNA funcționează într-o lume a necunoscutelor. În calitate de front-end al canalului de recepție, acesta trebuie să capteze și să amplifice un semnal de foarte mică putere și tensiune foarte mică, plus zgomotul aleatoriu asociat pe care antena i-l prezintă în lățimea de bandă de interes. În teoria semnalelor, aceasta este provocarea semnal necunoscut/zgomot necunoscut, cea mai dificilă dintre toate provocările de procesare a semnalelor.

Pentru LNA, parametrii principali sunt cifra de zgomot (NF), câștigul și liniaritatea. Zgomotul se datorează unor surse termice și de altă natură, cu valori tipice de zgomot cuprinse între 0,5 și 1,5 dB. Câștigul tipic este între 10 și 20 dB pentru un singur etaj. Unele modele utilizează amplificatoare în cascadă cu un etaj cu câștig redus, cu NF redus, urmat de un etaj cu câștig mai mare, care poate avea NF mai mare, dar acest lucru este mai puțin critic odată ce semnalul inițial a fost „câștigat”. (Pentru mai multe informații despre LNA-uri, zgomot și receptoare RF, consultați articolul TechZone „Amplificatoarele de zgomot redus maximizează sensibilitatea receptoarelor.”)

Neliniaritatea este o altă problemă pentru LNA, deoarece armonicele și distorsiunea de intermodulație rezultate corup semnalul recepționat și fac mai dificilă demodularea și decodarea acestuia cu o rată de eroare pe bit (BER) suficient de scăzută. Liniaritatea este de obicei caracterizată prin punctul de interceptare de ordinul trei (IP3), care leagă produsele neliniare cauzate de termenul neliniar de ordinul trei de semnalul amplificat liniar; cu cât valoarea IP3 este mai mare, cu atât mai liniară este performanța amplificatorului.

În general, consumul de energie și eficiența LNA nu sunt principalele preocupări. Prin natura lor, majoritatea LNA-urilor sunt dispozitive cu consum de putere destul de redus, cu un consum de curent de la 10 la 100 mA, și furnizează un câștig de tensiune etajelor ulterioare, dar nu furnizează putere unei sarcini. De asemenea, există doar unul sau două canale LNA în sistem (acestea din urmă, de obicei, în proiectele antenelor de diversitate, cum ar fi cele pentru interfețele Wi-Fi și 5G), astfel că orice economii rezultate din utilizarea unui LNA de putere mai mică ar fi modeste.

În afară de frecvența de operare și lățimea de bandă, există o cantitate relativ mare de similaritate funcțională între LNA-uri. În plus, unele LNA-uri includ controlul câștigului, astfel ca amplificatorul să poată gestiona o gamă dinamică largă de semnale de intrare fără suprasarcină și saturație. O astfel de variație amplă a intensității semnalului de intrare este un eveniment comun în aplicațiile mobile, în care pierderea traseului între stația de bază și telefon poate avea o gamă largă, chiar și în timpul unui singur ciclu de conectare.

Rutarea semnalelor de intrare către un LNA și a semnalelor de ieșire de la acesta este la fel de importantă ca și specificațiile componentei în sine. Prin urmare, proiectanții trebuie să utilizeze instrumente sofisticate de modelare și de aspect pentru a realiza întregul potențial de performanță al LNA. O piesă superioară poate fi ușor degradată de o dispunere sau o potrivire de impedanță slabă, astfel încât este esențial să se utilizeze diagramele Smith furnizate de furnizor (consultați „Diagrama Smith: Un instrument grafic „antic” încă vital în proiectarea RF”), împreună cu modele credibile ale circuitului pentru a sprijini software-ul de simulare și analiză.

Din aceste motive, aproape toți vânzătorii de LNA de înaltă performanță care funcționează în gama GHz oferă o placă de evaluare sau o configurație verificată a plăcii PC, deoarece fiecare aspect al configurației de testare este critic, inclusiv configurația, conectorii, împământarea, bypassul și alimentarea. Fără aceste resurse, proiectanții vor pierde timp încercând să evalueze performanța piesei în aplicația lor.

Un exemplu de LNA pe bază de GaAs este HMC519LC4TR, un dispozitiv pHEMT (tranzistor pseudomorfic cu mobilitate ridicată a electronilor) de la 18 până la 31 GHz de la Analog Devices (Figura 2). Această capsulă ceramică fără conductori de 4 × 4 mm cu montare pe suprafață oferă un câștig de semnal mic de 14 dB, împreună cu o cifră de zgomot scăzută de 3,5 dB și un o valoare ridicată de +23 dBm. Acesta consumă 75 mA de la o singură sursă de +3 V.

Figura 2: HMC519LC4TR GaAs LNA oferă un câștig cu zgomot redus pentru intrări de nivel scăzut de la 18 la 31 GHz; majoritatea conexiunilor din capsulă sunt pentru șine de alimentare, masă sau neutilizate. (Sursă imagine: Analog Devices)

Există o progresie de proiectare de la simpla schemă bloc funcțională a acestuia până la condensatoarele externe multiple de diferite valori și tipuri, necesare pentru a asigura un bypass RF adecvat cu parazitism redus pe trei linii de alimentare, denumite V_dd (Figura 3).

Figura 3: Într-o aplicație din lumea reală, HMC519LC4TR LNA necesită mai multe condensatoare de bypass pe șinele de alimentare – toate cu aceeași tensiune nominală – pentru a furniza atât capacitate de masă pentru filtrarea de joasă frecvență, cât și condensatoare de valoare mai mică pentru bypass RF pentru a minimiza fenomenele parazite cu RF. (Sursă imagine: Analog Devices)

Această schemă îmbunătățită conduce la placa de evaluare, care detaliază atât aspectul, cât și lista de materiale, inclusiv utilizarea de materiale pentru plăci de circuite imprimate non-FR4 [Figura 4(a) și 4(b)].

Figura 4(a)

Figura 4(b)

Figura 4: Având în vedere frecvențele ridicate la care funcționează aceste front-end-uri LNA și semnalele de nivel scăzut pe care trebuie să le capteze, este esențial un proiect de evaluare detaliat și testat. Aceasta include o diagramă (nu este prezentată), o schemă a plăcii (a) și o listă de materiale, cu specificații privind componentele pasive și materialul plăcii de circuite imprimate (b). (Sursa imaginii: Analog Devices)

Un LNA GaAs pentru frecvențe și mai mari este MACOM MAAL-01111111, care suportă funcționarea între 22 și 38 GHz (Figura 5). Acesta oferă un câștig de semnal mic de 19 dB, împreună cu o cifră de zgomot de 2,5 dB. Acest LNA pare a fi un dispozitiv cu un singur etaj, dar în interior are de fapt trei etaje în cascadă. Primul etaj este optimizat pentru cel mai mic zgomot și un câștig moderat, în timp ce etajele următoare oferă un câștig suplimentar.

Figura 5: Pentru utilizator, MAAL-01111111 LNA pare a fi un amplificator cu un singur etaj, dar în interior utilizează o serie de etaje de câștig concepute pentru a maximiza SNR-ul căii semnalului de intrare-ieșire, adăugând în același timp un câștig semnificativ la ieșire. (Sursa imaginii: MACOM)

La fel ca LNA-ul de la Analog Devices, MAAL-01111111 are nevoie de o singură sursă de alimentare de joasă tensiune și este foarte mic, având doar 3 × 3 mm. Utilizatorul poate ajusta și compensa unele specificații de performanță prin setarea tensiunii de polarizare (alimentare) la diferite valori între 3,0 și 3,6 V. Configurația sugerată a plăcii arată dimensiunile critice ale cuprului de pe placa de circuite imprimate, necesare pentru a menține o potrivire adecvată a impedanței și performanța planului de masă (Figura 6).

Figura 6: Dispunerea sugerată pentru a profita la maximum de MAAL-011111 de la MACOM, asigurând în același timp și adaptarea impedanței de intrare și de ieșire. Rețineți utilizarea cuprului pentru plăci de circuite imprimate pentru liniile de transmisie cu impedanță controlată, precum și a planurilor de masă cu impedanță redusă (dimensiuni în milimetri). (Sursa imaginii: MACOM)

PA conduce antena

Spre deosebire de provocarea dificilă de captare a semnalului LNA, PA primește un semnal relativ puternic cu SNR foarte mare de la circuite și trebuie să îi mărească puterea. Toți factorii generali ai semnalului sunt cunoscuți, cum ar fi amplitudinea, modularea, forma, ciclul de funcționare și multe altele. Acesta este cadranul semnal cunoscut/zgomot cunoscut al hărții de procesare a semnalului și cel mai ușor de gestionat.

Parametrul principal al amplificatorului de putere este puterea de ieșire la frecvența de interes, câștigul tipic al amplificatorului de putere variind între +10 și +30 dB. Împreună cu câștigul, eficiența este celălalt parametru critic al PA-ului, dar orice evaluare a eficienței este complicată de modelul de utilizare, modulația, ciclul de funcționare, distorsiunea permisă și alte aspecte ale semnalului care trebuie amplificat. Eficiența PA-ului se situează între 30 și 80%, dar acest lucru depinde de mulți factori. Liniaritatea PA, de asemenea critică, este evaluată de IP3, la fel ca pentru LNA.

În timp ce multe amplificatoare de putere utilizează tehnologia CMOS la niveluri de putere mai mici (până la aproximativ 1 – 5 W), în ultimii ani, alte tehnologii s-au maturizat și sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă, în special la niveluri de putere mai mari, unde eficiența este critică atât pentru durata de viață a bateriei, cât și din considerente termice. Amplificatoarele de putere care utilizează GaN oferă o eficiență mai bună la niveluri de putere și frecvențe mai mari (de obicei peste 1 GHz), unde sunt necesari câțiva wați sau mai mult. Amplificatoarele de putere GaN sunt competitive din punctul de vedere al costurilor, în special atunci când sunt luate în considerare eficiența și disiparea de putere.

Wolfspeed CGHV14800F, un dispozitiv de la 1200 până la 1400 MHz, de 800 W, este reprezentativ pentru unele dintre cele mai recente PA-uri pe bază de GaN. Combinația de eficiență, câștig și lățime de bandă a acestui PA HEMT este optimizată pentru amplificatoare radar pulsate în banda L, permițând proiectanților să găsească numeroase utilizări în aplicații precum controlul traficului aerian (ATC), sisteme meteo, antirachetă și de urmărire a țintelor. Utilizând o sursă de alimentare de 50 V, acesta oferă o eficiență de drenaj tipică de 50% și mai mare și este livrat într-o capsulă ceramică de 10 × 20 mm cu flanșe metalice pentru răcire (Figura 7).

Figura 7: Capsula ceramică de 10 × 20 mm cu flanșe metalice al amplificatorului de putere GaN CGHV14800F de la 1200 până la 1400 MHz, 800 W, trebuie să îndeplinească simultan cerințe dificile de RF și disipare. Observați flanșele de montare pentru înșurubarea – nu lipirea – capsulei pe placa de circuite imprimate pentru integritate mecanică și termică. (Sursa imaginii: Wolfspeed)

CGHV14800F funcționează de la o sursă de alimentare de 50 V, oferind de obicei un câștig de putere de 14 dB cu o eficiență de drenaj > 65%. Ca și în cazul LNA-urilor, circuitele de evaluare și proiectele de referință sunt esențiale (Figura 8).

Figura 8: Circuitul demonstrativ furnizat pentru PA CGHV14800F necesită foarte puține componente în afară de dispozitivul propriu-zis, dar dispunerea fizică și considerentele termice sunt esențiale; PA este fixat pe placă cu șuruburi și piulițe (în partea de jos, nu este vizibil) prin intermediul unor flanșe ale capsulei care servesc atât la integritatea montării, cât și la obiectivele termice. (Sursa imaginii: Wolfspeed)

La fel de importantă, printre numeroasele tabele de specificații și curbe de performanță se află și curba de reducere a disipării de putere (Figura 9). Aceasta arată puterea nominală de ieșire disponibilă în funcție de temperatura carcasei și indică faptul că puterea maximă permisă este constantă până la 115 ⁰C, apoi scade liniar până la puterea nominală maximă de 150 ⁰C.

Figura 9: Datorită rolului său în furnizarea de putere, curba de reducere a unui amplificator de putere este necesară pentru a arăta proiectanților reducerea puterii de ieșire permise pe măsură ce temperatura carcasei crește. Aici, puterea nominală scade rapid după 115 °C. (Sursa imaginii: Wolfspeed)

De asemenea, MACOM oferă amplificatoare de putere pe bază de GaN, cum ar fi tranzistorul NPT1007 GaN (Figura 10). Intervalul său de frecvență de la c.c. la 1200 MHz îl face potrivit atât pentru aplicații RF în bandă largă, cât și în bandă îngustă. Acesta funcționează de obicei de la o singură sursă de alimentare între 14 și 28 V, oferind un câștig de semnal mic de 18 dB la 900 MHz. Acesta este proiectat să tolereze o nepotrivire SWR (raportul undelor staționare) de 10:1 fără degradarea dispozitivului.

Figura 10: NPT1007 GaN PA de la MACOM acoperă o gamă de frecvențe de la c.c. la 1200 MHz, ceea ce îl face potrivit atât pentru aplicații RF de bandă largă, cât și de bandă îngustă. Proiectanții beneficiază de sprijin suplimentar printr-o varietate de grafice cu varierea sarcinii. (Sursa imaginii: MACOM)

În plus față de graficele care prezintă elementele de bază ale performanței la 500, 900 și 1200 MHz, NPT1007 este susținut de o varietate de grafice cu varierea sarcinii pentru a-i ajuta pe proiectanții de circuite și sisteme care se străduiesc să ofere un produs robust (Figura 11). Testele cu varierea sarcinii se efectuează folosind o sursă de semnal și un analizor de semnal (analizor de spectru, wattmetru sau receptor vectorial).

Testul necesită variația impedanței, așa cum este văzută de dispozitivul supus testului (DUT), pentru a evalua performanța amplificatorului de putere (care acoperă factori precum puterea de ieșire, câștigul și eficiența), deoarece valorile componentelor asociate se pot modifica din cauza schimbărilor de temperatură sau ca urmare a variațiilor din cadrul benzilor de toleranță în jurul valorilor lor nominale.

Figura 11: Graficul cu varierea sarcinii pentru NPT1007 PA depășește tabelul standard de specificații minime/maxime/tipice pentru a arăta performanța PA pe măsură ce impedanța de sarcină se îndepărtează de valoarea nominală, o situație care va apărea în utilizarea reală din cauza toleranțelor inițiale de producție, precum și a deviației termice. (Sursa imaginii: MACOM)

Indiferent de procesul PA utilizat, impedanța de ieșire a dispozitivului trebuie să fie caracterizată pe deplin de către furnizor, astfel ca proiectantul să o poată adapta în mod corespunzător cu antena pentru un transfer maxim de putere și pentru a menține SWR cât mai aproape de unitate. Acest circuit de adaptare este alcătuit în principal din condensatoare și inductoare, iar acestea pot fi implementate ca dispozitive discrete sau fabricate ca parte a plăcii de circuite imprimate sau chiar a capsulei produsului. De asemenea, acestea trebuie să fie proiectate pentru a susține și nivelurile de putere ale amplificatoarelor de putere. Din nou, utilizarea unor instrumente precum diagrama Smith este esențială pentru a înțelege și a pune în aplicare adaptarea de impedanță necesară.

Datorită dimensiunii reduse a matricei PA și a nivelurilor ridicate de putere, capsularea este o problemă critică. După cum s-a arătat mai devreme, multe amplificatoare de putere suportă o răcire prin intermediul unor cabluri și flanșe largi de disipare a căldurii, precum și un bloc termic sub capsulă pentru a acționa ca o cale către cuprul de pe placa de circuite imprimate. La niveluri de putere mai mari (peste 5-10 W), PA poate avea un capac de cupru pentru a permite montarea radiatorului deasupra și pot fi necesare ventilatoare sau alte tehnici avansate de răcire.

Puterea nominală și dimensiunile mici asociate cu PA-urile GaN înseamnă că modelarea mediului termic este critică. Bineînțeles, nu este suficient să menținem amplificatorul de putere în sine între limitele temperaturilor admise pentru carcasă sau joncțiune. Căldura care este eliminată din PA nu trebuie să devină o problemă pentru alte părți ale circuitului și ale sistemului. Trebuie să se ia în considerare abordarea și rezolvarea întregului traseu termic.

Concluzie

Sistemele bazate pe radiofrecvență, de la smartphone-uri la terminale VSAT și sisteme radar cu rețea în fază, depășesc limitele de performanță ale LNA și PA. Acest lucru i-a determinat pe producătorii de dispozitive să treacă dincolo de siliciu și să exploreze GaAs și GaN pentru a oferi performanța necesară.

Aceste noi tehnologii de procesare oferă proiectanților dispozitive cu lățimi de bandă mai mari, amprente mai mici și o eficiență mai mare. Cu toate acestea, proiectanții trebuie să înțeleagă elementele de bază ale funcționării LNA și PA pentru a aplica eficient aceste noi tehnologii.