Inzicht in de basisprincipes van ruisarme en vermogensversterkers in draadloze ontwerpen

De drang naar prestatie, miniaturisatie en hogere frequentie stelt de grenzen van twee kritieke, antennegebonden componenten van een draadloos systeem op de proef: de vermogensversterker (PA) en de lage-ruisversterker (LNA). Deze verschuiving wordt gestimuleerd door de inspanningen om 5G werkelijkheid te laten worden en door het gebruik van PA's en LNA's in VSAT-terminals, microgolfradiolinks en phased-array radarsystemen.

Deze toepassingen stellen eisen aan onder meer minder ruis (voor de LNA) en een hogere efficiëntie (voor de PA), en moeten kunnen werken bij hogere frequenties, tot en voorbij 10 GHz. Om aan deze toenemende eisen te voldoen, stappen LNA- en PA-fabrikanten over van traditionele, volledig siliciumhoudende processen naar galliumarsenide (GaAs) voor LNA's en galliumnitride (GaN) voor PA's.

In dit artikel worden de rol en de vereisten van LNA's en PA's en hun belangrijkste kenmerken uitgelegd, voordat typische GaAs- en GaN-componenten worden geïntroduceerd en wordt uitgelegd waar rekening mee moet worden gehouden bij het ontwerpen ermee.

De gevoelige rol van de LNA

De functie van de LNA is om het extreem zwakke en onzekere signaal van de antenne, meestal in de orde van microvolt of minder dan -100 dBm, te versterken tot een bruikbaarder niveau, meestal ongeveer een halve tot een volt (Afbeelding 1). Om dit in perspectief te plaatsen: in een 50 Ω systeem is 10 μV -87 dBm en 100 μV is -67 dBm.

Hoewel het leveren van deze versterking op zich geen grote uitdaging is met moderne elektronica, wordt het ernstig aangetast door ruis die de LNA kan toevoegen aan het zwakke ingangssignaal. Deze ruis kan alle voordelen van de versterking die de LNA toevoegt tenietdoen.

Afbeelding 1: De ruisarme versterker (LNA) van het ontvangstpad en de vermogensversterker (PA) van het zendpad zijn verbonden met de antenne via een duplexer, die de twee signalen scheidt en voorkomt dat de relatief krachtige PA-uitgang de gevoelige LNA-ingang overbelast. (Bron afbeelding: DigiKey)

Merk op dat de LNA functioneert in een wereld van onbekenden. Als front-end van het ontvangerkanaal moet het een signaal met een zeer laag vermogen en een lage spanning opvangen en versterken, samen met de bijbehorende willekeurige ruis die de antenne binnen de bandbreedte presenteert. In de signaaltheorie wordt dit de onbekend signaal/onbekende ruis-uitdaging genoemd, de moeilijkste van alle signaalverwerkingsuitdagingen.

Voor LNA's zijn de primaire parameters ruisgetal (NF), versterking en lineariteit. Ruis is te wijten aan thermische en andere bronnen, met typische ruiswaarden in het bereik van 0,5 tot 1,5 dB. De typische versterking ligt tussen 10 en 20 dB voor een enkele trap. Sommige ontwerpen maken gebruik van cascadeversterkers met een laagversterkende laag-NF trap, gevolgd door een hogerversterkende trap die een hogere NF kan hebben, maar dit is minder kritisch als het initiële signaal eenmaal is "opgewaardeerd". (Voor meer over LNA's, ruis en RF-ontvangers, zie het TechZone-artikel "Low-Noise Amplifiers Maximize Receiver Sensitivity").

Niet-lineariteit is een ander probleem voor de LNA, omdat de resulterende harmonischen en intermodulatievervorming het ontvangen signaal aantasten en het moeilijker maken om het te decoderen met een voldoende lage bit error rate (BER). Lineariteit wordt meestal gekarakteriseerd door het derde-orde-onderscheppingspunt (IP3), dat niet-lineaire producten veroorzaakt door de derde-orde niet-lineaire term relateert aan het lineair versterkte signaal; hoe hoger de IP3-waarde, hoe lineairder de versterker presteert.

Het stroomverbruik en de efficiëntie in de LNA zijn over het algemeen niet de belangrijkste punten van zorg. De meeste LNA's zijn van nature apparaten met een vrij laag vermogen, met een stroomverbruik van 10 tot 100 mA, en ze leveren spanningsversterking aan volgende fasen, geen vermogen aan een belasting. Bovendien zijn er maar één of twee LNA-kanalen in het systeem (de laatste meestal in diversity antenneontwerpen zoals voor Wi-Fi- en 5G-interfaces), dus besparingen door het gebruik van een LNA met een lager vermogen zouden bescheiden zijn.

Afgezien van hun werkfrequentie en bandbreedte zijn er relatief veel functionele overeenkomsten tussen LNA's. Sommige LNA's bevatten ook versterkingsregeling zodat de versterker een breed dynamisch bereik van ingangssignalen kan verwerken zonder overbelasting en verzadiging. Dergelijke sterk variërende ingangssignaalsterkte komt vaak voor in mobiele toepassingen waar het padverlies van het basisstation naar de telefoon een groot bereik kan hebben, zelfs tijdens een enkele verbindingscyclus.

De routing van ingangssignalen naar een LNA, en de uitgangssignalen ervan, is net zo belangrijk als de specificaties van het onderdeel zelf. Daarom moeten ontwerpers geavanceerde modelleer- en lay-outtools gebruiken om het volledige prestatiepotentieel van de LNA te realiseren. Een superieur onderdeel kan gemakkelijk worden aangetast door een slechte lay-out of impedantiematching, dus het is essentieel om de Smith-diagrammen van de leverancier te gebruiken (zie "The Smith Chart: An 'Ancient' Graphical Tool Still Vital In RF Design"), samen met geloofwaardige modellen van het circuit ter ondersteuning van simulatie- en analysesoftware.

Om deze redenen bieden bijna alle verkopers van hoogwaardige LNA's die werken in het GHz-bereik een evaluatiekaart of geverifieerde pc-boardlayout aan, omdat elk aspect van de testopstelling kritisch is, inclusief lay-out, connectoren, aarding, omleiding en voeding. Zonder deze middelen verspillen ontwerpers tijd aan het beoordelen van de prestaties van het onderdeel in hun toepassing.

Een voorbeeld van een op GaAs gebaseerde LNA is de HMC519LC4TR, een 18 tot 31 GHz pHEMT (pseudomorfe transistor met hoge elektronmobiliteit) van Analog Devices (Afbeelding 2). Deze loodloze 4 × 4 mm keramische opbouwbehuizing biedt een klein-signaal versterking van 14 dB samen met een laag ruisgetal van 3,5 dB en een hoge IP3 van +23 dBm. Het trekt 75 mA uit een enkele +3 V voeding.

Afbeelding 2: De HMC519LC4TR GaAs LNA biedt versterking met lage ruis voor laag-niveau ingangen van 18 tot 31 GHz; de meeste aansluitingen in de behuizing zijn voor voedingsrails, massa of ongebruikt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Er is een ontwerpprogressie van het eenvoudige functionele blokschema naar de meerdere externe condensatoren van verschillende waarden en types die nodig zijn voor een goede RF-bypass met lage parasitering op drie voedingssporen, aangeduid met V_dd (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: In een echte toepassing heeft de HMC519LC4TR LNA meerdere bypasscondensators nodig op de voedingsrails - allemaal van dezelfde spanningswaarde - om zowel bulkcapaciteit voor laagfrequente filtering als condensatoren van kleinere waarde voor RF-bypass te bieden om RF-parasitics te minimaliseren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit verbeterde schema leidt naar de evaluatieprintplaat, die zowel de lay-out als de BOM beschrijft, inclusief het gebruik van niet-FR4 printplaatmateriaal (Afbeelding 4(a) en 4(b)).

Afbeelding 4(a)

Afbeelding 4(b)

Afbeelding 4: Gezien de hoge frequenties waarop deze LNA front-ends werken en de lage signalen die ze moeten opvangen, is een gedetailleerd, getest evaluatieontwerp essentieel. Dit omvat een schema (niet afgebeeld), printplaatlay-out (a) en BOM, met specificaties van passieve componenten en printplaatmateriaal (b). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een GaAs LNA voor nog hogere frequenties is de MACOM MAAL-011111, die 22 tot 38 GHz ondersteunt (Afbeelding 5). Het biedt 19 dB versterking bij kleine signalen en een ruisgetal van 2,5 dB. Deze LNA lijkt een eentraps apparaat te zijn, maar intern heeft het in feite drie trapsgewijs geschakelde fasen. De eerste trap is geoptimaliseerd voor de laagste ruis en matige versterking, terwijl de volgende trappen extra versterking bieden.

Afbeelding 5: Voor de gebruiker lijkt de MAAL-011111 LNA een eentraps versterker, maar intern maakt hij gebruik van een reeks versterkingsfasen die ontworpen zijn om de input-to-output signaal-pad SNR te maximaliseren, terwijl aan de output een aanzienlijke versterking wordt toegevoegd. (Bron afbeelding: MACOM)

Net als de LNA van Analog Devices heeft de MAAL-011111 slechts één laagspanningsvoeding nodig en is hij klein met slechts 3 × 3 mm. De gebruiker kan sommige prestatiespecificaties aanpassen en afwegen door de bias (voedings)spanning in te stellen op verschillende waarden tussen 3,0 en 3,6 V. De voorgestelde printplaatlayout toont de kritieke kopermaten van de printplaat die nodig zijn voor een goede impedantieaanpassing en een goede grondplaatprestatie (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De voorgestelde lay-out om het maximale uit MAAL-011111 van MACOM te halen, terwijl ook de ingangs- en uitgangsimpedantie worden aangepast. Let op het gebruik van printplaatkoper voor impedantiegeregelde transmissielijnen en laagimpedante grondvlakken (afmetingen in millimeters). (Bron afbeelding: MACOM)

De PA stuurt de antenne aan

In tegenstelling tot de moeilijke uitdaging van de LNA om signalen op te vangen, krijgt de PA een relatief sterk signaal met een zeer hoge SNR van de schakeling en moet hij het vermogen ervan verhogen. Alle algemene factoren van het signaal zijn bekend, zoals amplitude, modulatie, vorm, duty cycle en meer. Dit is het kwadrant bekend-signaal/bekende-ruis van de signaalverwerkingskaart, en het eenvoudigst te beheren.

De primaire parameter voor de PA is het uitgangsvermogen bij de gewenste frequentie, met een typische PA-versterking tussen +10 en +30 dB. Samen met versterking is efficiëntie de andere kritische PA-parameter, maar elke beoordeling van efficiëntie wordt gecompliceerd door het gebruiksmodel, de modulatie, de duty cycle, de toegestane vervorming en andere aspecten van het signaal dat versterkt moet worden. De PA-efficiëntie ligt tussen de 30 en 80%, maar dit is afhankelijk van veel factoren. De PA-lineariteit, ook kritisch, wordt beoordeeld door IP3, net als voor de LNA.

Hoewel veel PA's CMOS-technologie gebruiken voor lagere vermogensniveaus (tot ongeveer 1 tot 5 W), zijn de afgelopen jaren andere technologieën tot wasdom gekomen en worden ze ook op grote schaal gebruikt, vooral voor hogere vermogensniveaus waarbij efficiëntie cruciaal is voor zowel de levensduur van de batterij als thermische overwegingen. PA's met GaN bieden een betere efficiëntie bij hogere vermogensniveaus en hogere frequenties (meestal boven 1 GHz), waar meerdere watt of meer nodig is. GaN PA's zijn concurrerend in kosten, vooral wanneer rekening wordt gehouden met efficiëntie en vermogensdissipatie.

De Wolfspeed CGHV14800F, een apparaat van 1200 tot 1400 MHz en 800 W, is representatief voor enkele van de meest recente PA's op basis van GaN. De combinatie van efficiëntie, versterking en bandbreedte van deze HEMT PA is geoptimaliseerd voor gepulseerde L-band radarversterkers, waardoor ontwerpers veel toepassingen kunnen vinden in toepassingen zoals luchtverkeersleiding (ATC), weer-, antiraket- en doelzoeksystemen. Bij gebruik van een 50 V voeding levert hij een typische afvoerefficiëntie van 50% en hoger, en wordt hij geleverd in een 10 × 20 mm keramische behuizing met metalen flenzen voor koeling (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De 10 × 20 mm keramische behuizing met metalen flenzen van de CGHV14800F 1200 tot 1400 MHz, 800 W, GaN PA moet tegelijkertijd voldoen aan moeilijke RF- en dissipatievereisten. Let op de montageflenzen voor het vastschroeven - niet solderen - van de verpakking aan het pc-bord voor mechanische en thermische integriteit. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

De CGHV14800F werkt op een 50 V voeding en levert gewoonlijk een vermogenswinst van 14 dB met > 65% afvoerrendement. Net als bij LNA's zijn evaluatieschakelingen en referentieontwerpen essentieel (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Het demonstratiecircuit voor de CGHV14800F PA vereist zeer weinig componenten naast het apparaat zelf, maar de fysieke lay-out en thermische overwegingen zijn van kritiek belang; de PA wordt met schroeven en moeren (aan de onderkant, niet zichtbaar) op de printplaat gehouden via flenzen die zowel de montagegriteit als de thermische doelstellingen dienen. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

Net zo belangrijk als de vele specificatietabellen en prestatiecurves is de de-ratingcurve voor vermogensdissipatie (Afbeelding 9). Dit toont het beschikbare uitgangsvermogen versus de behuizingtemperatuur en geeft aan dat het maximaal toegestane vermogen constant is tot 115 °C en daarna lineair afneemt tot het maximale vermogen van 150 °C.

Afbeelding 9: Vanwege zijn rol bij het leveren van vermogen is de deratingcurve van een PA nodig om ontwerpers de vermindering van het toegestane uitgangsvermogen te laten zien als de behuizingtemperatuur toeneemt. Hier daalt het vermogen snel na 115 °C. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

MACOM biedt ook PA's op basis van GaN, zoals de NPT1007 GaN-transistor (Afbeelding 10). Het frequentiebereik van DC tot 1200 MHz maakt hem geschikt voor zowel breedbandige als smalbandige RF-toepassingen. Hij werkt meestal met een enkele voeding tussen 14 en 28 V en levert 18 dB klein-signaal versterking bij 900 MHz. Het is ontworpen om een 10:1 SWR (staande golfverhouding) mismatch te verdragen zonder dat het apparaat verslechtert.

Afbeelding 10: De NPT1007 GaN PA van MACOM overspant het bereik van DC tot 1200 MHz, waardoor hij geschikt is voor zowel breedbandige als smalbandige RF-toepassingen. Ontwerpers krijgen extra ondersteuning door middel van diverse belastings- en trekgrafieken. (Bron afbeelding: MACOM)

Naast de grafieken die de basisprestaties tonen bij 500, 900 en 1200 MHz, wordt de NPT1007 ondersteund door diverse "load-pull" grafieken om circuit- en systeemontwerpers te helpen die streven naar een robuust product (Afbeelding 11). Load-pull-tests worden uitgevoerd met een gekoppelde signaalbron en signaalanalyzer (spectrumanalyzer, vermogensmeter of vectorontvanger).

De test vereist het variëren van de impedantie zoals gezien door het te testen apparaat (DUT) om de prestaties van de PA te beoordelen (met betrekking tot factoren zoals uitgangsvermogen, versterking en efficiëntie), aangezien alle bijbehorende componentwaarden kunnen veranderen door temperatuurverschuivingen of als gevolg van variaties binnen de tolerantiebanden rond hun nominale waarden.

Afbeelding 11: De 'oad-pull-grafiek voor de NPT1007 PA gaat verder dan de standaardtabel met min/max/typische specificaties en toont de prestaties van de PA naarmate de belastingsimpedantie verschuift van de nominale waarde, een situatie die zich in de praktijk voordoet als gevolg van initiële productietoleranties en thermische drift. (Bron afbeelding: MACOM)

Ongeacht het gebruikte PA-proces moet de uitgangsimpedantie van het apparaat volledig gekarakteriseerd worden door de verkoper, zodat de ontwerper het goed kan afstemmen op de antenne voor maximale vermogensoverdracht en om de SWR zo dicht mogelijk bij eenheid te houden. Dit aanpassingscircuit bestaat voornamelijk uit condensatoren en spoelen, en deze kunnen worden geïmplementeerd als discrete apparaten of worden gefabriceerd als onderdeel van het pc-bord of zelfs de productverpakking. Ze moeten ook ontworpen zijn om de vermogensniveaus van de PA's aan te kunnen. Ook hier is het gebruik van hulpmiddelen zoals de Smith grafiek essentieel om de vereiste impedantieaanpassing te begrijpen en te implementeren.

Vanwege de kleine matrijs van de PA en de hoge vermogensniveaus is verpakking een kritieke kwestie. Zoals eerder is aangetoond, ondersteunen veel PA's koeling via brede, warmteafvoerende pakketsnoeren en flenzen, en een thermische slug onder de behuizing om als pad naar het koper van de printplaat te dienen. Bij hogere vermogens (boven ongeveer 5 tot 10 W) kan de PA een koperen kap hebben om het koellichaam erop te kunnen monteren en kunnen ventilatoren of andere geavanceerde koeltechnieken nodig zijn.

De vermogens en kleine afmetingen van GaN PA's betekenen dat het modelleren van de thermische omgeving van cruciaal belang is. Natuurlijk is het niet genoeg om de PA zelf binnen de toegestane kast- of junctietemperatuur te houden. Warmte die wordt afgevoerd van de PA mag geen probleem worden voor andere onderdelen van het circuit en het systeem. Er moet aandacht worden besteed aan het aanpakken en oplossen van het volledige thermische pad.

Conclusie

RF-gebaseerde systemen, variërend van smartphones tot VSAT-terminals en phase-array radarsystemen, verleggen de grenzen van LNA- en PA-prestaties. Dit heeft fabrikanten ertoe aangezet om verder te kijken dan silicium en GaAs en GaN te onderzoeken om de vereiste prestaties te leveren.

Deze nieuwe procestechnologieën bieden ontwerpers apparaten met grotere bandbreedtes, kleinere voetafdrukken en een grotere efficiëntie. Ontwerpers moeten echter de basisprincipes van de werking van LNA en PA's begrijpen om deze nieuwe technologieën effectief te kunnen toepassen.