Forstå det grunnleggende om lavstøyforsterkere og effektforsterkere i trådløse utrustninger

Trenden mot ytelse, miniatyrisering og drift med høyere frekvens utfordrer grensene for to viktige antennetilkoblede komponenter i et trådløst system: effektforsterkeren (PA – power amplifier) og lavstøyforsterkeren (LNA – low-noise amplifier). Denne trenden har blitt drevet frem av arbeidet med å gjøre 5G til en realitet, i tillegg til PA- og LNA-bruk i VSAT-terminaler, mikrobølgeradioforbindelser og radarsystemer med fasematrise (phased-array radar system).

Disse bruksområdene har krav som inkluderer lavere støy (for lavstøyforsterkeren) og høyere virkningsgrad (for effektforsterkeren), samt drift ved høyere frekvenser på opptil og forbi 10 GHz. For å imøtekomme disse økende kravene, beveger LNA- og PA-produsenter seg vekk fra tradisjonelle silisiumprosesser, og mot galliumarsenid (GaAs) for LNA-er og galliumnitrid (GaN) for PA-er.

Denne artikkelen vil forklare rollen og kravene til LNA-er og PA-er og de viktigste egenskapene deres. Deretter introduserer den typiske GaA- og GaN-enheter, og hva som er viktig å huske på når de skal brukes i utrustninger.

Den sensitive rollen til lavstøyforsterkeren (LNA)

Funksjonen til LNA-en er å ta det ekstremt svake og usikre signalet fra antennen, vanligvis på noen mikrovolt eller under –100 dBm, og forsterke det til et mer nyttig nivå, vanligvis mellom en halv og én volt (figur 1). For å sette dette i perspektiv vil, i et 50 Ω system, 10 μV være –87 dBm og 100 μV være lik –67 dBm.

Selv om å det å tilveiebringe denne forsterkningen i seg selv ikke er noen stor utfordring med moderne elektronikk, er den svært utsatt for støy som LNA-en kan legge til det svake inngangssignalet. Denne støyen kan overvelde alle fordelene til forsterkningen som LNA-en legger til.

Figur 1: Lavstøyforsterkeren (LNA-en) til mottaksbanen og effektforsterkeren (PA-en) til sendebanen kobles til antennen via en dupleksenhet, som separerer de to signalene og forhindrer at den relativt kraftige PA-utgangen overbelaster den sensitive LNA-inngangen. (Bildekilde: DigiKey)

Vær oppmerksom på at LNA-en fungerer i en verden av ukjente faktorer. Som inngang på mottakerkanalen, må den fange opp og forsterke et lavspenningssignal med svært lav effekt, i tillegg til tilknyttet tilfeldig støy som antennen leverer innenfor den aktuelle båndbredden. I signalteori kalles dette ukjent-signal/ukjent-støy-utfordringen (unknown signal/unknown noise challenge), den vanskeligste av alle signalbehandlingsutfordringene.

For LNA-er er hovedparametrene støyverdi (NF – noise figure), forsterkning og linearitet. Støy skyldes termiske og andre kilder, der typiske støyverdier ligger i området 0,5 til 1,5 dB. Vanlig forsterkning ligger mellom 10 og 20 dB for ett enkelt trinn. Noen konstruksjoner bruker kaskadeforsterkere med et trinn som omfatter lav forsterkning og lavt støynivå, etterfulgt av et trinn som omfatter høyere forsterkning som kan ha høyere støynivå, men dette er mindre kritisk når det første signalet har blitt forsterket (gained up). (For mer informasjon om LNA-er, støy og RF-mottakere, se TechZone-artikkelen «Lavstøyforsterkere maksimerer mottakerfølsomhet».)

Ikke-linearitet er et annet problem for lavstøyforsterkere, siden resulterende oversvingninger og intermodulasjonsforvrengning skader det mottatte signalet og gjør det vanskeligere å demodulere og dekode det med tilstrekkelig lav bitfeilrate (BER – bit error rate). Linearitet er vanligvis karakterisert av det tredjeordens avskjæringspunktet (IP3 – third-order intercept point), som relaterer ikke-lineære produkter forårsaket av det tredjeordens ikke-lineære begrepet til det lineært forsterkede signalet. Jo høyere IP3-verdien er, jo mer lineær er forsterkerytelsen.

Strømforbruk og effektivitet i lavstøyforsterkeren er vanligvis ikke de viktigste bekymringene. De fleste LNA-er er enheter med ganske lav effekt, med strømforbruk fra 10 til 100 mA, og de gir spenningsforsterkning til påfølgende trinn og leverer ikke strøm til en last. Det er også bare én eller to LNA-kanaler i systemet (sistnevnte er vanligvis i antifadingantenner, som for Wi-Fi- og 5G-grensesnitt), så alle besparelser som skyldes bruken av lavstøyforsterker (LNA) med lavere effekt, ville være beskjeden.

Bortsett fra driftsfrekvens og båndbredde, er det en relativt stor mengde funksjonell likhet mellom LNA-er. Noen LNA-er inkluderer også forsterkningsstyring, slik at forsterkeren kan håndtere et bredt dynamisk område av inngangssignaler uten overbelastning og metning. Slike sterkt varierende inngangssignalstyrker er en vanlig forekomst i mobile konstruksjoner hvor tap på basestasjon-til-telefon-banen kan ha et bredt område, selv under én enkel tilkoblingssyklus.

Ruting av inngangssignaler til en LNA, og utgangssignalene fra den, er like viktig som spesifikasjonene for selve delen. Derfor må konstruktører bruke avanserte modellerings- og layoutverktøy for å realisere det fulle ytelsespotensialet til LNA-en. En overlegen del kan lett forringes av dårlig layout eller impedanstilpasning, så det er viktig å bruke Smith-diagrammer levert av leverandøren (se «Smith-diagrammet: Et ‘eldgammelt’ grafisk verktøy som fortsatt er viktig innen RF-konstruksjon»), kombinert med troverdige modeller av kretsen for å støtte simulerings- og analyseprogramvare.

På grunn av dette tilbyr nesten alle leverandører av høyytelses LNA-er i GHz-området et evalueringskort eller en verifisert kretskortlayout, siden alle aspekter av testlayouten er avgjørende, deriblant layout, kontakter, jording, forbikobling og strøm. Uten disse ressursene vil konstruktører kaste bort tid på å prøve å vurdere delens ytelse i konstruksjonen sin.

Et eksempel på en GaAs-basert LNA er HMC519LC4TR, en 18 til 31 GHz pHEMT-enhet (pHEMT – pseudomorphic high-electron-mobility transistor) fra Analog Devices (figur 2). Denne blyfrie keramiske overflatemonterte kapslingen på 4 × 4 mm tilbyr forsterkning av små signaler på 14 dB, kombinert med en lav støyverdi på 3,5 dB og en høy IP3 på +23 dBm. Den trekker 75 mA fra én enkel strømforsyning på +3 V.

Figur 2: HMC519LC4TR GaAs LNA-en gir forsterkning med lav støy for lave inngangsnivåer fra 18 til 31 GHz. De fleste kapslingstilkoblingene er for strømskinner, jord eller ubrukte. (Bildekilde: Analog Devices)

Det er en konstruksjonsprogresjon fra det enkle blokkoblingsskjemaet til de flertallige eksterne kondensatorene med forskjellige verdier og typer som trengs for å gi riktig RF-forbikobling med lave parasittstrømmer på tre strømskinnematere, betegnet V_dd (figur 3).

Figur 3: I en virkelig konstruksjon krever HMC519LC4TR LNA-en flere forbikoblingskondensatorer på strømskinnene – alle med samme spenningsverdi – for å gi både bulk-kapasitans for lavfrekvent filtrering, samt kondensatorer med mindre verdier for RF-forbikobling for å minimere RF-parasitter. (Bildekilde: Analog Devices)

Dette utbedrede skjemaet leder til evalueringskortet, som beskriver både layout og materialliste (BOM), inkludert bruken av ikke-FR4-kretskortmateriale (figur 4(a) og 4(b)).

Figur 4(a)

Figur 4(b)

Figur 4: Gitt de høye frekvensene hvor disse LNA-inngangene fungerer, og de lave signalene de må fange opp, er en detaljert og testet evalueringskonstruksjon avgjørende. Dette inkluderer et skjema (ikke vist), en kortlayout (a) og en materialliste (BOM), med spesifikasjoner for passive komponenter og kretskortmateriale (b). (Bildekilde: Analog Devices)

En GaAs LNA for enda høyere frekvenser, er MACOM MAAL-011111, som støtter drift på 22 til 38 GHz (figur 5). Den tilbyr 19 dB forsterkning for små signaler, i tillegg til en støyverdi på 2,5 dB. Det kan se ut som denne LNA-en er en ett-trinns enhet, men internt har den faktisk tre kaskadestadier. Det første trinnet er optimalisert for lavest mulig støy og moderat forsterkning, mens de påfølgende gir ekstra forsterkning.

Figur 5: For brukeren ser MAAL-011111 LNA-en ut til å være en ett-trinns forsterker, men internt bruker den en serie forsterkningstrinn som er utformet for å maksimere signal-til-støy-forholdet (SNR – signal-to-noise ratio) på inngang-til-utgang-signalbanen, samtidig som den legger til betydelig forsterkning på utgangen. (Bildekilde: MACOM)

I likhet med Analog Devices sin LNA, trenger MAAL-011111 bare én enkel lavspenningsforsyning, og den er bare 3 × 3 mm. Brukeren kan justere og vurdere fordeler og bakdeler for noen ytelsesspesifikasjoner ved å angi at forspenningen (forsyningsspenningen) skal ha ulike verdier på mellom 3,0 og 3,6 V. Den foreslåtte kortlayouten viser de svært viktige kobbermålene som trengs for å opprettholde riktig impedanstilpasning og jordplanytelse (figur 6).

Figur 6: Den foreslåtte layouten for å få mest mulig ut av MACOMs MAAL-011111, samtidig som den gir impedanstilpasning for inngang og utgang. Legg merke til bruken av kretskortkobber for impedansstyrte overføringslinjer, samt jordplan med lav impedans (mål i millimeter). (Bildekilde: MACOM)

PA-en driver antennen

I motsetning til LNA-ens utfordring med å fange opp signaler, tar PA-en et relativt sterkt signal med svært høy SNR fra kretsen, og må øke signaleffekten. Alle de generelle faktorene om signalet er kjent, slik som amplitude, modulasjon, form, driftssyklus, med mer. Dette er kjent-signal-/kjent-støy-kvadranten til signalbehandlingskartet, og den enkleste å håndtere.

Hovedparameteren for PA-en er utgangseffekten ved den aktuelle frekvensen, med en typisk PA-forsterkning i området mellom +10 og +30 dB. I tillegg til forsterkning, er virkningsgrad den andre kritiske PA-parameteren, men alle vurderinger av virkningsgrad kompliseres av bruksmodellen, moduleringen, driftssyklusen, den tillatte forvrengningen og andre aspekter av signalet som skal forsterkes. PA-virkningsgrad ligger i området 30 til 80 %, men dette er veldig avhengig av mange forskjellige faktorer. PA-linearitet, som også er svært viktig, bedømmes av IP3, akkurat som for LNA-en.

Mens mange PA-er bruker CMOS-teknologi ved lavere effektnivåer (opptil ca. 1 til 5 W), har andre teknologier i de senere årene modnet og opplever utbredt bruk, spesielt ved høyere effektnivåer der virkningsgrader er svært viktig både for batterilevetid og termiske hensyn. PA-er som bruker GaN gir bedre virkningsgrad ved høyere effektnivåer og høyere frekvenser (vanligvis over 1 GHz), der det er behov for flere watt eller mer. GaN PA-er er konkurransedyktige når det gjelder pris, spesielt når virkningsgrad og strømforbruk tas i betraktning.

Wolfspeed CGHV14800F, en 1200 til 1400 MHz, 800 W-enhet, er representativ for noen av de nyeste GaN-baserte PA-ene. Denne HEMT PA-ens kombinasjon av virkningsgrad, forsterkning og båndbredde er optimalisert for pulserende L-bånd-radarforsterkere, slik at konstruktører kan finne mange bruksområder som flytrafikksentral- (ATC – air traffic control), vær-, antirakett- og målsporingssystemer. Ved å bruke en strømforsyning på 50 V, gir den en typisk drain-virkningsgrad på 50 % og høyere, og kommer i en keramisk kapsling på 10 × 20 mm med metallflenser for kjøling (figur 7).

Figur 7: Den keramiske kapslingen på 10 × 20 mm med metallflenser på CGHV14800F, en 1200 til 1400 MHz, 800 W, GaN PA, må samtidig oppfylle både vanskelige RF-krav og avledningskrav. Legg merke til monteringsflensene for skruing – ikke lodding – på kapslingen til kretskortet for mekanisk og termisk integritet. (Bildekilde: Wolfspeed)

CGHV14800F drives fra en strømforsyning på 50 V, og gir vanligvis en effektøkning på 14 dB med > 65 % drain-virkningsgrad. I likhet med LNA-er, er evalueringskretser og referansekonstruksjoner avgjørende (figur 8).

Figur 8: Demonstrasjonskretsen for CGHV14800F PA-en krever svært få komponenter i tillegg til selve enheten, men fysisk layout og termiske hensyn er avgjørende. PA-en holdes fast til kortet med skruer og muttere (på bunnen, ikke synlige) via kapslingsflenser som fungerer godt for både monteringsintegritet og termiske mål. (Bildekilde: Wolfspeed)

Blant de mange spesifikasjonstabellene og ytelseskurvene, har vi degraderingskurven for effektavledning, som er like viktig (Figur 9). Dette viser tilgjengelig effekt i forhold til kabinettets temperatur, og viser at den maksimalt tillatte effekten er konstant opp til 115 °C, og reduseres deretter lineært opp til sin maksimale klassifisering på 150 °C.

Figur 9: På grunn av sin rolle i å levere strøm, er reduksjonskurven til en PA nødvendig for å vise konstruktører reduksjonen i tillatt utgangseffekt når temperaturen øker. Her synker effektklassifiseringen raskt etter 115 °C. (Bildekilde: Wolfspeed)

MACOM tilbyr også GaN-baserte PA-er, for eksempel NPT1007 GaN-transistoren (figur 10). Frekvensområdet på DC til 1200 MHz gjør den egnet for både bredbånds og smalbånds RF-konstruksjoner. Den drives vanligvis fra én enkel strømforsyning på mellom 14 og 28 V, noe som gir en forsterkning på 18 dB for små signaler ved 900 MHz. Den er konstruert for å tåle en 10:1 uoverensstemmelse for stående bølgeforhold (SWR – standing wave ratio), uten noe kvalitetstap på enheten.

Figur 10: NPT1007 GaN PA-en fra MACOM spenner over området DC til 1200 MHz, noe som gjør den egnet for både bredbånds og smalbånds RF-konstruksjoner. Konstruktører får ekstra støtte gjennom en rekke last-trekk-grafer. (Bildekilde: MACOM)

I tillegg til grafene som viser grunnleggende ytelse ved 500, 900 og 1200 MHz, støttes NPT1007 av en rekke last-trekk-grafer («load-pull» graphs) for å hjelpe krets- og systemkonstruktører som streber etter å sikre et robust produkt (figur 11). Last-trekk-tester utføres ved å bruke en sammenkoblet signalkilde og signalanalysator (spektrumanalysator, effektmåler eller vektormottaker).

Testen krever at impedansen varieres, som sett av enheten under test (DUT – device under test), for å vurdere PA-ens ytelse (som dekker faktorer som utgangseffekt, forsterkning og virkningsgrad) ettersom alle tilknyttede komponentverdier kan endres på grunn av temperaturforskyvninger, eller som et resultat av variasjoner innenfor toleransebåndene rundt deres nominelle verdier.

Figur 11: Last-trekk-grafen for NPT1007 PA går utover standardtabellen med min./maks./typiske spesifikasjoner for å vise PA-ytelsen når lastimpedansen beveger seg bort fra den nominelle verdien, en situasjon som vil oppstå under faktisk bruk på grunn av innledende produksjonstoleranser så vel som termisk vandring. (Bildekilde: MACOM)

Uavhengig av PA-prosessen som brukes, må enhetens utgangsimpedans være fullstendig karakterisert av leverandøren, slik at konstruktøren kan samsvare den til antennen for å oppnå maksimal effektoverføring, og for å holde SWR så nær enhetlig (unity) som mulig. Denne tilpasningskretsen (matching circuit) består hovedsakelig av kondensatorer og induktorer, og disse kan implementeres som frittstående enheter eller produseres som en del av kretskortet eller til og med produktemballasjen. De må også være konstruert for å opprettholde PA-effektnivåene. Igjen er bruken av verktøy som Smith-diagrammet avgjørende for å forstå og implementere den nødvendige impedanstilpasningen.

På grunn av PA-ens lille platestørrelse og høye effektnivåer, er emballasje en svært viktig utfordring. Som vist tidligere, støtter mange PA-er varmeavledning (heat sinking) via brede, varmeavledende kapslingsledere og flenser, samt en termisk plugg under kapslingen som fungerer som en bane til kretskortets kobber. Ved høyere effektnivåer (over ca. 5 til 10 W) kan PA-en ha en kobberhette som gjør det mulig å montere kjøleribben på toppen, og det kan være nødvendig med vifter eller andre avanserte kjøleteknikker.

Effektklassifiseringen og den lille størrelsen som er forbundet med GaN PA-er, betyr at modellering av det termiske miljøet er avgjørende. Selvfølgelig er det ikke nok å holde selve PA-en innenfor de tillatte temperaturklassifiseringene for kabinett eller koblingspunkt. All varme som fjernes fra PA-en må ikke bli et problem for andre deler av kretsen og systemet. Det er viktig å håndtere og løse hele den termiske banen.

Konklusjon

RF-baserte systemer, som varierer fra smarttelefoner til VSAT-terminaler og radarsystemer med fasematrise, øker grensene for LNA- og PA-ytelse. Dette har motivert enhetsprodusenter til å bevege seg forbi silisium og utforske GaAs og GaN for å gi ytelsen som kreves.

Disse nye prosessteknologiene gir konstruktører enheter med større båndbredde, mindre format og økt virkningsgrad. Imidlertid må konstruktører forstå det grunnleggende om LNA- og PA-drift, slik at de kan anvende disse nye teknologiene på en effektiv måte.