Förstå grunderna för lågbrus- och effektförstärkare i trådlösa konstruktioner

Kraven på prestanda, miniatyrisering och drift vid högre frekvenser utmanar gränserna för två viktiga antennanslutna komponenter i ett trådlöst system: effektförstärkaren (PA) och lågbrusförstärkaren (LNA). Denna förändring har drivits på av ansträngningarna för att förverkliga 5G, samt genom användning av effekt- och lågbrusförstärkare i VSAT-anslutningar, mikrovågslänkar och radarsystem med anntennmatriser.

Tillämpningarna har krav som inkluderar lägre brus (för lågbrusförstärkaren) och högre verkningsgrad (för effektförstärkaren) samt drift vid högre frekvenser, upp till och över 10 GHz. För att uppfylla de ökande kraven övergår tillverkare från traditionella tillverkningsmetoder med kisel metoder med galliumarsenid (GaAs) för lågbrusförstärkare och galliumnitrid (GaN) för effektförstärkare.

Den här artikeln förklarar lågbrus- och effektförstärkarnas roll och krav samt deras viktigaste egenskaper. Därefter presenteras typiska enheter med galliumarsenid och galliumnitrid och vad man bör tänka på vid konstruktion.

Lågbrusförstärkarens känsliga roll

Lågbrusförstärkarens funktion är att ta den mycket svaga och otydliga signalen från antennen, vanligtvis i storleksordningen mikrovolt eller under -100 dBm, och förstärka den till en mer användbar nivå, vanligtvis cirka en halv till en volt (figur 1). För att sätta detta i perspektiv, i ett system för 50 Ω är 10 μV -87 dBm och 100 μV är -67 dBm.

Även om det inte är någon större utmaning att åstadkomma denna förstärkning med modern elektronik, så påverkas den kraftigt av det brus som lågbrusförstärkaren kan addera till den svaga insignalen. Bruset kan överskugga alla fördelar med den förstärkning som en lågbrusförstärkare tillför.

Figur 1: Mottagningsvägens lågbrusförstärkare (LNA) och sändningsvägens effektförstärkare (PA) ansluts till antennen via en duplexer, som separerar de båda signalerna och förhindrar att effektförstärkarens relativt kraftfulla utgång överbelastar lågbrusförstärkarens känsliga ingång. (Bildkälla: DigiKey)

Observera att lågbrusförstärkaren arbetar i en värld med okända faktorer. Som mottagarkanalens frontend måste den fånga upp och förstärka en signal med mycket låg effekt och låg spänning samt tillhörande slumpmässigt brus som antennen presenterar för den inom den bandbredd som är av intresse. Inom signalteorin kallas detta för utmaningen med okänd signal/okänt brus och är den svåraste av alla utmaningar inom signalbehandling.

För lågbrusförstärkare är de viktigaste parametrarna brusfaktor (NF), förstärkning och linjäritet. Brus beror på termiska eller andra källor, med typiska brusvärden i intervallet 0,5 till 1,5 dB. Typisk förstärkning för ett enda steg är mellan 10 och 20 dB. Vissa konstruktioner använder kaskadförstärkare med steg för låg förstärkning och låg brusfaktor, följt av ett steg med högre förstärkning som kan ha högre brusfaktor, men detta är mindre kritiskt när den ursprungliga signalen har "förstärkts". (Se TechZone-artikeln "Lågbrusförstärkare maximerar känsligheten för mottagaren, för mer information om lågbrusförstärkare, brus och RF-mottagare".)

Icke-linjäritet är ett annat problem för lågbrusförstärkare eftersom de övertoner som skapas och intermodulationsdistorsionen förstör den mottagna signalen och gör det svårare att demodulera och avkoda den med tillräckligt låg bitfelsfrekvens (BER). Linjäritet kännetecknas vanligtvis av tredje ordningens skärningspunkt (IP3), som relaterar till icke-linjära produkter, som orsakas av tredje ordningens icke-linjära storhet, till den linjärt förstärkta signalen. Ju högre IP3-värde, desto mer linjär är förstärkarens verkningsgrad.

Effektförbrukning och verkningsgrad i lågbrusförstärkare är i allmänhet inte de viktigaste faktorerna. De flesta lågbrusförstärkare är till sin natur ganska strömsnåla med en strömförbrukning på mellan 10 och 100 mA, och de tillhandahåller spänningsförstärkning till efterföljande steg, de levererar inte ström till en last. Det finns dessutom bara en eller två kanaler för lågbrusförstärkning i systemet (de senare vanligtvis i flerfunktionella antenner som används för WiFi- och 5G-gränssnitt), så eventuella besparingar genom att använda en lågbrusförstärkare med lägre effekt skulle vara blygsamma.

Förutom driftfrekvens och bandbredd finns det en relativt stor mängd funktionella likheter mellan lågbrusförstärkarna. Vissa lågbrusförstärkare har även förstärkningsreglering så att förstärkaren kan hantera ett brett dynamiskt område av insignaler utan överbelastning och mättnad. Sådana stora variationer i insignalens styrka är vanliga i mobila tillämpningar där signalförlusten mellan basstationen och telefon kan variera kraftigt, även under en enda anslutningscykel.

Styrningen av insignalerna till en lågbrusförstärkare, och utsignalerna från den, är lika viktig som specifikationerna för själva komponenten. Därför måste konstruktörer använda sofistikerade modellerings- och layoutverktyg för att kunna utnyttja lågbrusförstärkarens fulla potential. En överlägsen del kan lätt försämras av en dålig layout eller impedansmatchning, så det är viktigt att använda Smith-diagram från leverantören (se "Smith-diagrammet: Ett ”gammalt" grafiskt verktyg som fortfarande är väsentligt inom RF-konstruktion"), tillsammans med trovärdiga modeller av kretsen för att stödja simulerings- och analysprogram.

Av dessa skäl erbjuder nästan alla leverantörer ett utvärderingskort för lågbrusförstärkare med hög prestanda som arbetar i GHz-området eller en verifierad kretskortslayout eftersom varje aspekt av testuppställningen är kritisk, inklusive layout, kontaktdon, jordning, avkoppling och strömförsörjning. Utan dessa resurser kommer konstruktörer slösa tid på att försöka bedöma enhetens verkningsgrad i deras tillämpning.

Ett exempel på en lågbrusförstärkare baserad på galliumarsenid är HMC519LC4TR, en pHEMT-enhet för 18 till 31 GHz (pseudomorphic high-electron-mobility transistor) från Analog Devices (figur 2). Denna blyfria keramiska kapsling för ytmontering med måtten 4 x 4 mm har en förstärkning på 14 dB vid låga signaler med en låg brusfaktor på 3,5 dB och en hög IP3 på +23 dBm. Den förbrukar 75 mA från en strömförsörjning på +3 V.

Figur 2: Lågbrusförstärkaren HMC519LC4TR med galliumarsenid har en förstärkning med lågt brus för lågnivåingångar mellan 18 och 31 GHz; de flesta av kapslingens anslutningar är avsedda för strömmatning och jord eller är oanvända. (Bildkälla: Analog Devices)

Konstruktionen utvecklas från det enkla funktionella blockschemat till de många externa kondensatorer med olika värden och typer som behövs för att ge korrekt RF-avkoppling med låga parasiter för tre strömmatningar, betecknade V_dd (figur 3).

Figur 3: I en verklig tillämpning kräver lågbrusförstärkaren HMC519LC4TR flera avkopplingskondensatorer på strömmatningarna - alla med samma märkspänning - för att tillhandahålla både masskapacitans för lågfrekvensfiltrering likväl som RF-avkopplingskondensatorer med ett lägre värde för att minimera RF-parasiter. (Bildkälla: Analog Devices)

Detta förbättrade schema leder till utvärderingskortet, som innehåller information om både layout och artikellista, inklusive användning av kretskortsmaterial utan laminatmaterialet FR-4 (figur 4(a) och 4(b)).

Figur 4(a)

Figur 4(b)

Figur 4: Med tanke på de höga frekvenser som frontenden på dessa lågbrusförstärkare arbetar vid och de låga signaler som de måste fånga upp, är det viktigt med en detaljerad, testad och utvärderad konstruktion. Detta inkluderar en schematisk bild (visas ej), kretskortslayout (a) och materiallista, med särskilda specifikationer för passiva komponenter och kretskortsmaterial (b). (Bildkälla: Analog Devices)

En lågbrusförstärkare med galliumarsenid för ännu högre frekvenser är MAAL-011111 från MACOM, som stödjer användning från 22 till 38 GHz (figur 5). Den skapar en förstärkning på 19 dB vid låg signal,och har en brusfaktor på 2,5 dB. Lågbrusförstärkaren ser ut att vara en enhet med ett steg, men internt har den faktiskt tre kaskadsteg. Det första steget är optimerat för lägsta brus och måttlig förstärkning, medan de efterföljande stegen ger ytterligare förstärkning.

Figur 5: För användaren ser lågbrusförstärkaren MAAL-011111 ut att vara en förstärkare med ett steg, men internt använder den en serie förstärkningssteg som är utformade för att maximera signal-brusförhållandet (SNR) mellan in- och utgång, samtidigt som den ger en betydande förstärkning vid utgången. (Bildkälla: MACOM)

Precis som lågbrusförstärkare från Analog Devices behöver MAAL-011111 bara en enda låg matningsspänning och är mycket liten, endast 3 x 3 mm. Användaren kan justera och kompromissa med vissa prestandaspecifikationer genom att ställa in olika värden för matningsspänningen mellan 3 och 3,6 V. Den föreslagna layouten visar de kritiska koppardimensioner som behövs för att upprätthålla korrekt impedansmatchning och jordplansprestanda på kretskortet (figur 6).

Figur 6: Föreslagen layout för att få ut maximalt av MAAL-011111 från MACOM, samtidigt som in- och utgångsimpedanser matchas. Observera att koppar från kretskortet används för impedansstyrda överföringsledningar och jordplan med låg impedans (mått i millimeter). (Bildkälla: MACOM)

Effektförstärkaren driver antennen

Till skillnad från lågbrusförstärkarens svåra utmaning att fånga upp signaler, tar effektförstärkaren emot en relativt stark signal med mycket högt signal-till-brusförhållande från kretsen och måste förstärka dess effekt. Alla allmänna faktorer om signalen är kända, som t.ex. amplitud, modulation, form, arbetscykel med mera. Detta är den kända signalens/det kända brusets kvadrant i signalbehandlingsdiagrammet, och den enklaste att hantera.

Den primära parametern för effektförstärkaren är dess uteffekt vid den aktuella frekvensen, med en typisk effektförstärkning på mellan +10 och +30 dB. Tillsammans med förstärkning är verkningsgrad den andra kritiska parametern för effektförstärkaren, men varje bedömning av verkningsgrad försvåras av användningsmodell, modulation, arbetscykel, tillåten distorsion och andra aspekter av den signal som ska förstärkas. Effektförstärkarens verkningsgrad ligger i intervallet 30-80 %, men detta beror på många faktorer. Effektförstärkarens linjäritet, som också är kritisk, bedöms av IP3, på samma sätt som för lågbrusförstärkaren.

Många effektförstärkare använder CMOS-teknik vid lägre effektnivåer (upp till ca 1 till 5 W), men på senare år har andra tekniker utvecklats och används även de i stor utsträckning, särskilt vid högre effektnivåer där verkningsgraden är avgörande både för batteritiden och för termiska överväganden. Effektförstärkare med galliumnitrid har en bättre verkningsgrad vid högre effektnivåer och frekvenser (vanligtvis över 1 GHz), där det krävs åtskilliga watt. Effektförstärkare med galliumnitrid är kostnadseffektiva, särskilt när man tar hänsyn till verkningsgrad och effektförlust.

CGHV14800F från Wolfspeed, en enhet på 800 W för 1 200 till 1 400 MHz, är representativ för några av de senaste effektförstärkarna av galliumnitrid. Kombinationen av verkningsgrad, förstärkning och bandbredd hos effektförstärkare med HEMT är optimerad för radarförstärkare för pulserande L-band, vilket medför att konstruktörer kan hitta många användningsområden i tillämpningar, som t.ex. flygtrafikledning, väder, antirobotsystem och målsökande system. Med en matning på 50 V har den en typisk verkningsgrad för drain på 50 % eller mer, och levereras i en keramisk kapsling, med metallflänsar för kylning, med måtten 10 x 20 mm (figur 7).

Figur 7: Den keramiska kapslingen på 10 x 20 mm med metallflänsar för GaN-effektförstärkaren CGHV14800F för 1 200 till 1 400 MHz och 800 W, måste samtidigt uppfylla svåra RF- och avledningskrav. Observera flänsarna för att skruvmontera - inte löda - kapslingen på kretskortet för att uppnå mekanisk och termisk integritet. (Bildkälla: Wolfspeed)

CGHV14800F matas med 50 V och har normalt en effektförstärkning på 14 dB med en verkningsgrad för drain på >65 %. Precis som för lågbrusförstärkare är utvärderingskretsar och referenskonstruktioner nödvändiga (figur 8).

Figur 8: Demonstrationskretsen för effektförstärkaren CGHV14800F kräver mycket få komponenter förutom själva enheten, men fysisk layout och termiska överväganden är kritiska. Effektförstärkaren monteras på kortet med skruvar och muttrar (på undersidan, ej synliga) via flänsar på kapslingen, både av monteringstekniska skäl och termiska skäl. (Bildkälla: Wolfspeed)

Lika viktig är kurvan för effektförlust (figur 9) bland de många specifikationstabellerna och prestandakurvorna. Denna visar tillgänglig uteffekt i förhållande till kapslingens temperatur, och visar att den maximalt tillåtna uteffekten är konstant upp till 115 °C, och minskar därefter linjärt upp till dess maximala värde på 150 °C.

Figur 9: På grund av dess roll när det gäller att leverera effekt behövs en korrigeringskurva för effektförstärkare för att visa konstruktörer minskningen av den tillåtna märkeffekten när kapslingens temperatur ökar. Här sjunker märkeffekten snabbt efter 115 °C. (Bildkälla: Wolfspeed)

MACOM erbjuder även effektförstärkare baserade på galliumnitrid, t.ex. galliumnitridtransistorn NPT1007 (figur 10). Frekvensomfånget från DC till 1 200 MHz gör den lämplig för både bred- och smalbandiga RF-tillämpningar. Den arbetar normalt med en enda spänningsmatning på mellan 14 och 28 V och har en förstärkning av låga signaler på 18 dB vid 900 MHz. Den är konstruerad för att tåla en förskjutning i det stående våg-förhållandet på 10:1 utan att enheten försämras.

Figur 10: Effektförstärkaren NPT1007 av galliumnitrid från MACOM har ett intervall från DC till 1 200 MHz, vilket gör den lämplig för både bred- och smalbandiga RF-tillämpningar. Konstruktörer har ytterligare stöd genom en mängd olika belastningsdiagram (load-pull). (Bildkälla: MACOM)

Förutom de diagram som visar grundläggande prestanda vid 500, 900 och 1 200 MHz, stöds NPT1007 av en mängd olika belastningsdiagram för att hjälpa krets- och systemkonstruktörer som strävar efter att säkerställa en robust produkt (figur 11). Belastningstester utförs med en parad signalkälla och signalanalysator (spektrumanalysator, effektmätare eller vektormottagare).

Testet kräver att den impedans som den testade enheten ser (DUT) varieras för att bedöma effektförstärkarens effektivitet (omfattar faktorer som uteffekt, förstärkning och verkningsgrad) eftersom alla tillhörande komponentvärden kan ändras på grund av temperaturförändringar eller som ett resultat av variationer inom toleransbanden kring deras nominella värden.

Figur 11: Belastningsdiagrammet för effektförstärkaren NPT1007 går utöver standardtabellen med min/max/typiska specifikationer för att visa effektförstärkarens verkningsgrad när dess belastningsimpedans ändras från sitt nominella värde, en situation som kommer att uppstå vid faktisk användning på grund av initiala produktionstoleranser och termisk avvikelse. (Bildkälla: MACOM)

Oavsett vilken effektförstärkning som används måste impedansen för enhetens utgång beskrivas av leverantören så att konstruktören kan anpassa den korrekt till antennen för maximal effektöverföring och för att hålla det stående våg-förhållandet så nära enhetlighet som möjligt. Denna anpassningskrets består huvudsakligen av kondensatorer och induktorer, och dessa kan implementeras som diskreta enheter eller tillverkas som en del av kretskortet eller till och med produktkapslingen. De måste också vara konstruerade för att klara effektförstärkarens effektnivåer. Även här är det viktigt att använda verktyg som t.ex. Smith-diagrammet för att förstå och genomföra den impedansanpassning som krävs.

På grund av effektförstärkarens lilla kretsstorlek och höga verkningsgrad är kapslingen en kritisk fråga. Som tidigare visats har många effektförstärkarelement kylflänsar via kapslingens breda, värmeavledande stift och flänsar, samt en termisk hylsa/upphöjning under kapslingen som fungerar som en väg till kretskortets kopparbana. Vid högre verkningsgrader (över ca 5 till 10 W) kan effektförstärkaren ha ett kopparlock för att möjliggöra toppmontering av kylflänsen, och fläktar eller andra avancerade tekniker för kylning kan behövas.

De effektvärden och den ringa storlek som förknippas med effektförstärkare baserade på galliumnitrid innebär att modellering av den termiska miljön är kritisk. Det räcker naturligtvis inte med att hålla själva effektförstärkaren inom de tillåtna temperaturgränserna för kapslingen och övergången. Värme som avleds från effektförstärkaren får inte bli ett problem för andra delar av kretsen eller systemet. Man måste ta hänsyn till och lösa hela den termiska banan.

Sammanfattning

RF-baserade system, allt från smartphones till VSAT-anslutningar och radarsystem med antennmatriser, pressar gränserna för lågbrus- och effektförstärkares prestanda. Detta har fått tillverkare att gå över från kisel till galliumarsenid och galliumnitrid för att uppnå den verkningsgrad som behövs.

Dessa nya processteknologier förser konstruktörer med enheter som har större bandbredd, mindre format och högre verkningsgrad. Konstruktörerna måste dock förstå grunderna i hur lågbrus- och effektförstärkare fungerar för att kunna använda dessa nya teknologier på ett effektivt sätt.