Forstå det grundlæggende ved støjsvage forstærkere og effektforstærkere i trådløse designs

Kravet om ydeevne, miniaturisering og drift ved højere frekvenser udfordrer grænserne for to kritiske, antenneforbundne komponenter i et trådløst system: effektforstærkeren (PA) og forstærkeren med lavt støjniveau (LNA). Dette skift er blevet ansporet af bestræbelserne på at gøre 5G til en realitet samt PA- og LNA-brug i VSAT-terminaler, mikrobølgeradioforbindelser og phased-array-radarsystemer.

Disse applikationer har krav, der omfatter lavere støj (for LNA) og større effektivitet (for PA), samt drift ved højere frekvenser, op til og over 10 GHz. For at imødekomme disse stigende krav går LNA- og PA-producenterne fra traditionelle siliciumprocesser over til galliumarsenid (GaAs) til LNA'er og galliumnitrid (GaN) til PA'er.

Denne artikel forklarer rollen og kravene til LNA'er og PA'er og deres vigtigste egenskaber, før den introducerer typiske GaAs- og GaN-enheder, og hvad man skal huske på, når man designer med dem.

LNA'ens følsomme rolle

LNA'ens funktion er at tage det ekstremt svage og usikre signal fra antennen, normalt i størrelsesordenen mikrovolt eller under -100 dBm, og forstærke det til et mere brugbart niveau, normalt omkring en halv til en volt (figur 1). For at sætte det i perspektiv kan man sige, at i et 50 Ω-system er 10 μV -87 dBm, og 100 μV svarer til -67 dBm.

Selv om det ikke er en stor udfordring i sig selv at levere denne forstærkning med moderne elektronik, bliver den alvorligt kompromitteret af støj, som LNA'en kan tilføje til det svage indgangssignal. Denne støj kan overskygge eventuelle fordele ved den forstærkning, som LNA'en tilføjer.

Figur 1: Den støjsvage forstærker (LNA) i modtagevejen og effektforstærkeren (PA) i sendevejen forbindes til antennen via en duplexer, som adskiller de to signaler og forhindrer den relativt kraftige PA-udgang i at overbelaste den følsomme LNA-indgang. (Billedkilde: DigiKey)

Bemærk, at LNA'en fungerer i en verden af ubekendte. Som forreste del af modtagerkanalen skal den opfange og forstærke et signal med meget lav effekt og lav spænding plus tilhørende tilfældig støj, som antennen præsenterer for den inden for den båndbredde, der er af interesse. I signalteorien kaldes dette udfordringen med ukendt signal/ukendt støj, som er den sværeste af alle signalbehandlingsudfordringer.

For LNA'er er de primære parametre støjtal (NF), forstærkning og linearitet. Støj skyldes termiske og andre kilder, med typiske støjtal i området 0,5 til 1,5 dB. Typisk forstærkning er mellem 10 og 20 dB for et enkelt trin. Nogle design bruger kaskadeforstærkere med et trin med lav forstærkning og lav NF, efterfulgt af et trin med højere forstærkning, som kan have højere NF, men det er mindre kritisk, når det oprindelige signal er blevet "forstærket". (For mere om LNA'er, støj og RF-modtagere, se TechZone-artiklen "Low-Noise Amplifiers Maximize Receiver Sensitivity").

Ikke-linearitet er et andet problem for LNA'en, da de resulterende harmoniske overtoner og intermodulationsforvrængning ødelægger det modtagne signal og gør det sværere at demodulere og afkode det med en tilstrækkelig lav bitfejlsrate (BER). Linearitet er normalt karakteriseret ved tredjeordens skæringspunkt (IP3), som relaterer ikke-lineære produkter forårsaget af tredjeordens ikke-lineære udtryk til det lineært forstærkede signal; jo højere IP3-værdi, jo mere lineær er forstærkerens ydeevne.

Strømforbrug og effektivitet i LNA'en er generelt ikke de primære bekymringer. I sagens natur er de fleste LNA'er ret strømbesparende enheder med et strømforbrug på mellem 10 og 100 mA, og de leverer spændingsforstærkning til efterfølgende trin, ikke strøm til en belastning. Der er også kun en eller to LNA-kanaler i systemet (sidstnævnte normalt i diversitetsantennedesign som f.eks. til Wi-Fi og 5G-grænseflader), så eventuelle besparelser ved at bruge en LNA med lavere effekt vil være beskedne.

Bortset fra deres arbejdsfrekvens og båndbredde er der en relativt stor funktionel lighed mellem LNA'er. Nogle LNA'er har også forstærkningskontrol, så forstærkeren kan håndtere et bredt dynamisk område af indgangssignaler uden overbelastning og mætning. Sådanne store variationer i indgangssignalets styrke er almindelige i mobilapplikationer, hvor tabet mellem basestation og telefon kan variere meget, selv i løbet af en enkelt forbindelsescyklus.

Routingen af indgangssignalerne til en LNA og udgangssignalerne fra den er lige så vigtig som specifikationerne for selve delen. Derfor skal designere bruge sofistikerede modellerings- og layoutværktøjer for at realisere LNA'ens fulde ydelsespotentiale. En overlegen del kan let blive forringet af dårligt layout eller impedanstilpasning, så det er vigtigt at bruge leverandørens Smith-diagrammer (se "The Smith Chart: An 'Ancient' Graphical Tool Still Vital In RF Design"), sammen med troværdige modeller af kredsløbet til at understøtte simulerings- og analysesoftware.

Af disse grunde tilbyder næsten alle leverandører af højtydende LNA'er, der opererer i GHz-området, et evalueringskort eller et verificeret pc-kortlayout, da alle aspekter af testopsætningen er kritiske, herunder layout, stik, jordforbindelse, bypass og strøm. Uden disse ressourcer vil designerne spilde tid på at forsøge at vurdere delens ydeevne i deres applikation.

Et eksempel på en GaAs-baseret LNA er HMC519LC4TR, en 18 til 31 GHz pHEMT-enhed (pseudomorphic high-electron-mobility transistor) fra Analog Devices (figur 2). Denne ledningsfri 4 × 4 mm keramiske overflademonteringspakke giver en småsignalforstærkning på 14 dB sammen med et lavt støjtal på 3,5 dB og en høj IP3 på +23 dBm. Den trækker 75 mA fra en enkelt +3 V-forsyning.

Figur 2: HMC519LC4TR GaAs LNA giver forstærkning med lav støj for indgange med lavt niveau fra 18 til 31 GHz; de fleste af pakkens forbindelser er til strømskinner, jord eller ubrugte. (Billedkilde: Analog Devices)

Der er en designudvikling fra det enkle funktionelle blokdiagram til de mange eksterne kondensatorer af forskellige værdier og typer, der er nødvendige for at sikre korrekt RF-bypass med lave parasitstrømme på tre strømskinner, betegnet V_dd (figur 3).

Figur 3: I den virkelige verden kræver HMC519LC4TR LNA flere bypass-kondensatorer på strømskinnerne - alle med samme nominelle spænding - for at give både bulk-kapacitet til lavfrekvensfiltrering og kondensatorer med mindre værdi til RF-bypass for at minimere RF-parasitstrømme. (Billedkilde: Analog Devices)

Dette forbedrede skema fører til evalueringskortet, som beskriver både layout og stykliste, herunder brug af ikke-FR4 printkortmateriale (Figur 4(a) og 4(b)).

Figur 4(a)

Figur 4(b)

Figur 4: I betragtning af de høje frekvenser, som disse LNA-frontends arbejder ved, og de lavniveausignaler, de skal opfange, er et detaljeret, testet evalueringsdesign afgørende. Det omfatter et skema (ikke vist), printkortlayout (a) og stykliste med oplysninger om passive komponenter og printkortmateriale (b). (Billedkilde: Analog Devices)

En GaAs LNA til endnu højere frekvenser er MACOM MAAL-011111, som understøtter 22 til 38 GHz drift (figur 5). Den giver 19 dB småsignalforstærkning sammen med et støjtal på 2,5 dB. Denne LNA ser ud til at være en et-trins enhed, men internt har den faktisk tre kaskadede trin. Det første trin er optimeret til lavest mulig støj og moderat forstærkning, mens de efterfølgende trin giver yderligere forstærkning.

Figur 5: For brugeren ser MAAL-011111 LNA ud til at være en et-trins forstærker, men internt bruger den en række forstærkningstrin, der er designet til at maksimere SNR i signalvejen fra indgang til udgang, samtidig med at den tilføjer en betydelig forstærkning ved udgangen. (Billedkilde: MACOM)

Ligesom Analog Devices' LNA har MAAL-011111 kun brug for en enkelt lavspændingsforsyning og er lillebitte på kun 3 × 3 mm. Brugeren kan justere og afveje nogle ydeevnespecifikationer ved at indstille bias-spændingen (forsyningsspændingen) til forskellige værdier mellem 3,0 og 3,6 V. Det foreslåede printlayout viser de kritiske kobberdimensioner på printkortet, som er nødvendige for at opretholde korrekt impedanstilpasning og jordplanydelse (figur 6).

Figur 6: Det foreslåede layout for at få mest muligt ud af MACOM's MAAL-011111, samtidig med at input- og output-impedanstilpasning sikres. Bemærk brugen af kobber fra printkort til impedansstyrede transmissionslinjer samt jordplaner med lav impedans (dimensioner i millimeter). (Billedkilde: MACOM)

PA'en driver antennen

I modsætning til LNA'ens vanskelige signalindfangningsudfordring modtager PA'en et relativt stærkt signal med meget høj SNR fra kredsløbet og skal øge dets effekt. Alle de generelle faktorer om signalet er kendt, såsom amplitude, modulation, form, arbejdscyklus og meget mere. Det er kvadranten med kendt signal/kendt støj på signalbehandlingskortet, og den er nemmest at håndtere.

Den primære parameter for PA'en er dens udgangseffekt ved den pågældende frekvens, hvor den typiske PA-forstærkning ligger mellem +10 og +30 dB. Sammen med forstærkning er effektivitet den anden kritiske PA-parameter, men enhver vurdering af effektivitet kompliceres af brugsmodel, modulation, arbejdscyklus, tilladt forvrængning og andre aspekter af det signal, der skal forstærkes. PA-effektiviteten ligger på mellem 30 og 80 %, men det afhænger af mange faktorer. PA-lineariteten, som også er kritisk, bedømmes af IP3, ligesom for LNA'en.

Mens mange PA'er bruger CMOS-teknologi ved lavere effektniveauer (op til ca. 1 til 5 W), er andre teknologier i de senere år modnet og er også i udbredt brug, især ved højere effektniveauer, hvor effektivitet er kritisk både for batterilevetid og termiske overvejelser. PA'er, der bruger GaN, giver bedre effektivitet ved højere effektniveauer og højere frekvenser (typisk over 1 GHz), hvor der er brug for flere watt eller mere. GaN PA'er er konkurrencedygtige på prisen, især når effektivitet og strømspild tages i betragtning.

Wolfspeed CGHV14800F, en 1200 til 1400 MHz, 800 W enhed, er repræsentativ for nogle af de nyeste GaN-baserede PA'er. Denne HEMT PA's kombination af effektivitet, forstærkning og båndbredde er optimeret til pulserende L-bånds radarforstærkere, så designere kan finde mange anvendelser i applikationer som flyvekontrol (ATC), vejr-, antimissil- og målsporingssystemer. Ved hjælp af en 50 V-forsyning giver den en typisk drain-effektivitet på 50 % og derover, og den leveres i en 10 × 20 mm keramisk pakke med metalflanger til køling (figur 7).

Figur 7: Den 10 × 20 mm keramiske pakke med metalflanger til CGHV14800F 1200 til 1400 MHz, 800 W, GaN PA skal på samme tid opfylde vanskelige RF- og spredningskrav. Bemærk monteringsflangerne til at skrue - ikke lodde - pakken fast på printkortet for at sikre mekanisk og termisk integritet. (Billedkilde: Wolfspeed)

CGHV14800F fungerer med en 50 V-forsyning og giver typisk en effektforstærkning på 14 dB med > 65 % drain-effektivitet. Som med LNA'er er evalueringskredsløb og referencedesign afgørende (figur 8).

Figur 8: Demonstrationskredsløbet til CGHV14800F PA kræver meget få komponenter ud over selve enheden, men fysisk layout og termiske overvejelser er kritiske; PA'en holdes fast på printpladen med skruer og møtrikker (i bunden, ikke synlige) via pakkeflanger, som tjener både monteringsintegritet og termiske formål. (Billedkilde: Wolfspeed)

Lige så vigtig blandt de mange specifikationstabeller og ydelseskurver er kurven for effekttab (figur 9). Dette viser den tilgængelige udgangseffekt i forhold til kabinettets temperatur og viser, at den maksimalt tilladte effekt er konstant op til 115 ⁰C, hvorefter den falder lineært op til den maksimale effekt på 150 ⁰C.

Figur 9: På grund af PA'ens rolle i at levere effekt, er det nødvendigt med en belastningsreduktionskurve for at vise designerne reduktionen i tilladt udgangseffekt, når temperaturen i kabinettet stiger. Her falder effekten hurtigt efter 115 °C. (Billedkilde: Wolfspeed)

MACOM tilbyder også GaN-baserede PA'er som NPT1007 GaN-transistoren (figur 10). Dens frekvensområde på DC til 1200 MHz gør den velegnet til både bredbånds- og smalbånds-RF-applikationer. Den fungerer typisk fra en enkelt forsyning mellem 14 og 28 V og giver 18 dB småsignalforstærkning ved 900 MHz. Den er designet til at tolerere en SWR (standing wave ratio) mismatch på 10:1 uden forringelse af enheden.

Figur 10: NPT1007 GaN PA fra MACOM spænder over området DC til 1200 MHz, hvilket gør den velegnet til både bredbånds- og smalbånds-RF-applikationer. Designere får yderligere støtte gennem en række load-pull-grafer. (Billedkilde: MACOM)

Ud over graferne, der viser grundlæggende ydeevne ved 500, 900 og 1200 MHz, understøttes NPT1007 af en række "load-pull"-grafer, der hjælper kredsløbs- og systemdesignere, som stræber efter at sikre et robust produkt (figur 11). Load-pull-tests udføres ved hjælp af en parret signalkilde og signalanalysator (spektrumanalysator, effektmåler eller vektormodtager).

Testen kræver, at impedansen, som ses af enheden under test (DUT/Device under test), varieres for at vurdere PA'ens ydeevne (dækker faktorer som udgangseffekt, forstærkning og effektivitet), da alle tilknyttede komponentværdier kan ændre sig på grund af temperaturskift eller som et resultat af variationer inden for tolerancebåndene omkring deres nominelle værdier.

Figur 11: Load-pull-grafen for NPT1007 PA går ud over standardtabellen med min/maks/typiske specifikationer for at vise PA'ens ydeevne, når dens belastningsimpedans bevæger sig væk fra den nominelle værdi, en situation, der vil opstå ved faktisk brug på grund af oprindelige produktionstolerancer og termisk drift. (Billedkilde: MACOM)

Uanset hvilken PA-proces der anvendes, skal enhedens udgangsimpedans karakteriseres fuldt ud af leverandøren, så designeren kan matche den korrekt til antennen for at opnå maksimal effektoverførsel og holde SWR så tæt på enhed som muligt. Dette matchende kredsløb består primært af kondensatorer og induktorer, og de kan være implementeret som diskrete enheder eller fremstillet som en del af printkortet eller endda produktemballagen. De skal også være designet til at kunne opretholde PA-effektniveauerne. Igen er brugen af værktøjer som Smith-diagrammet afgørende for at forstå og implementere den nødvendige impedanstilpasning.

På grund af PA'ens lille størrelse og høje effektniveauer er emballering et kritisk problem. Som vist tidligere understøtter mange PA'er varmeafledning via brede, varmeafledende pakkeledninger og flanger, samt en termisk køleplade under pakken, der fungerer som en vej til printkortets kobber. Ved højere effektniveauer (over ca. 5 til 10 W) kan PA'en have en kobberkappe, så kølepladen kan monteres ovenpå, og det kan være nødvendigt med blæsere eller andre avancerede køleteknikker.

De nominelle effekter og den lille størrelse, der er forbundet med GaN PA'er, betyder, at modellering af det termiske miljø er kritisk. Det er selvfølgelig ikke nok at holde selve PA'en inden for den tilladte kabinet- eller forbindelsestemperatur. Den varme, der fjernes fra PA'en, må ikke blive et problem for andre dele af kredsløbet og systemet. Det skal overvejes at adressere og løse hele den termiske vej.

Konklusion

RF-baserede systemer, lige fra smartphones til VSAT-terminaler og phase-array-radarsystemer, presser grænserne for LNA- og PA-ydeevne. Det har fået producenterne af enheder til at bevæge sig ud over silicium og udforske GaAs og GaN for at opnå den nødvendige ydeevne.

Disse nye procesteknologier giver designere enheder med større båndbredde, mindre fodaftryk og større effektivitet. Designere er dog nødt til at forstå det grundlæggende i LNA- og PA-funktion for effektivt at kunne anvende disse nye teknologier.