Zrozumienie podstaw wzmacniaczy niskoszumowych i wzmacniaczy mocy w projektach bezprzewodowych

Dążenie do lepszych parametrów działania, miniaturyzacji i pracy przy wyższych częstotliwościach rzuca wyzwanie ograniczeniom dwóch krytycznych, połączonych z antenami komponentów systemu bezprzewodowego: wzmacniacza mocy (PA) i wzmacniacza niskoszumowego (LNA). Ta zmiana została spowodowana wysiłkami na rzecz realizacji technologii 5G, a także zastosowania wzmacniaczy mocy (PA) i wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) w terminalach VSAT, mikrofalowych łączach radiowych i systemach radarowych z szykiem fazowym.

Przedstawione zastosowania charakteryzują się wymaganiami obejmującymi niski poziom szumów - w przypadku wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) - i wyższą sprawność - w przypadku wzmacniaczy mocy (PA) - a także pracę przy wyższych częstotliwościach, nawet 10GHz i więcej. Aby sprostać rosnącemu popytowi, producenci wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) i wzmacniaczy mocy (PA) odchodzą od tradycyjnych procesów, wykorzystujących wyłącznie krzem na rzecz stosowania arsenku galu (GaAs) w przypadku wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) oraz azotku galu (GaN) w przypadku wzmacniaczy mocy (PA).

W niniejszym artykule wyjaśniono rolę wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) i wzmacniaczy mocy (PA), a także stawiane im wymagania oraz ich główne cechy charakterystyczne, a następnie przedstawiono typowe urządzenia wykorzystujące arsenek galu (GaAs) i azotek galu (GaN) oraz zagadnienia, o których należy pamiętać podczas projektowania z ich użyciem.

Ważna rola wzmacniaczy niskoszumowych (LNA)

Zadaniem wzmacniacza niskoszumowego (LNA) jest odbieranie bardzo słabego i niepewnego sygnału z anteny, zwykle rzędu mikrowoltów lub poniżej -100dBm, a następnie wzmacnianie go do bardziej użytecznego poziomu, zwykle około pół do jednego wolta (ilustracja 1). Aby to uzmysłowić: w układzie 50Ω, 10μV odpowiada -87dBm, a 100μV odpowiada -67dBm.

Zapewnienie tego wzmocnienia samo w sobie nie jest dużym wyzwaniem dla nowoczesnej elektroniki, jednak jest ono poważnie zagrożone przez wszelkie szumy, które wzmacniacz niskoszumowy (LNA) może dodać do słabego sygnału wejściowego. Szumy te mogą przewyższać wszelkie korzyści ze wzmocnienia dodawanego przez wzmacniacz niskoszumowy (LNA).

Ilustracja 1: wzmacniacz niskoszumowy (LNA) toru odbiorczego i wzmacniacz mocy (PA) toru nadawczego łączą się z anteną za pośrednictwem dupleksera, który oddziela oba sygnały i zapobiega przeciążeniu czułego wejścia wzmacniacza niskoszumowego (LNA) przez stosunkowo silne sygnały wyjściowe wzmacniacza mocy (PA). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Należy pamiętać, że wzmacniacz niskoszumowy (LNA) działa w świecie niewiadomych. Jako układ front-end kanału odbiornika, musi on przechwytywać i wzmacniać sygnały o bardzo niskiej mocy i niskim napięciu oraz związane z nimi losowe szumy, które antena dostarcza w interesującej szerokości pasma. W teorii sygnałów nazywa się to problemem nieznanego sygnału/nieznanego szumu i jest najtrudniejszym ze wszystkich problemów związanych z przetwarzaniem sygnału.

W przypadku wzmacniaczy niskoszumowych (LNA), podstawowymi parametrami są: współczynnik szumów (NF), wzmocnienie i liniowość. Szumy pochodzą ze źródeł termicznych i innych, a ich typowe wartości mieszczą się w zakresie od 0,5 do 1,5dB. Typowe wzmocnienie dla jednego stopnia wynosi od 10 do 20dB. Niektóre konstrukcje wykorzystują wzmacniacze kaskadowe ze stopniem o niskim wzmocnieniu i niskim współczynniku szumów, po którym następuje stopień o wyższym wzmocnieniu, który może mieć wyższy współczynnik szumów, mający jednak mniej krytyczne znaczenie po wzmocnieniu sygnału początkowego. (Więcej informacji na temat wzmacniaczy niskoszumowych (LNA), szumów i odbiorników częstotliwości radiowych (RF) zawiera artykuł TechZone „Wzmacniacze niskoszumowe maksymalizują czułość odbiornika.”)

Innym problemem dla wzmacniacza niskoszumowego (LNA) jest nieliniowość, ponieważ wynikowe harmoniczne i zniekształcenia intermodulacyjne pogarszają odbierany sygnał oraz utrudniają jego demodulację i dekodowanie z odpowiednio niską bitową stopą błędów (BER). Liniowość jest zwykle charakteryzowana przez punkt przechwytu trzeciego rzędu (IP3), który wiąże iloczyny nieliniowe spowodowane przez składnik nieliniowy trzeciego rzędu z liniowo wzmocnionym sygnałem. Im wyższa wartość IP3, tym bardziej liniowe działanie wzmacniacza.

Pobór mocy i sprawność wzmacniacza niskoszumowego (LNA) generalnie nie są głównymi problemami. Ze swej natury większość wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) to urządzenia dość niskiej mocy o poborze prądu od 10 do 100mA, które zapewniają wzmocnienie napięciowe dla kolejnych stopni, a nie zasilanie odbiorników. Ponadto w systemie występuje tylko jeden lub dwa kanały wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) (dwa występują zwykle w układach wieloantenowych, np. do interfejsów Wi-Fi i 5G), więc wszelkie oszczędności wynikające z używania wzmacniacza niskoszumowego (LNA) o niższej mocy byłyby niewielkie.

Poza częstotliwością roboczą i szerokością pasma, wzmacniacze niskoszumowe (LNA) charakteryzują się stosunkowo dużym podobieństwem funkcjonalnym. Niektóre wzmacniacze niskoszumowe (LNA) posiadają również sterowanie wzmocnieniem, dzięki czemu wzmacniacz może obsługiwać szeroki zakres dynamiki sygnałów wejściowych bez przeciążeń i nasyceń. Wysoce zróżnicowana siła sygnału wejściowego jest częstym zjawiskiem w zastosowaniach mobilnych, w których straty na drodze między stacją bazową a telefonem mogą mieć szeroki zakres, nawet podczas jednego cyklu łączenia.

Kierowanie sygnałów wejściowych do wzmacniacza niskoszumowego (LNA) i wyprowadzanie z niego sygnałów wyjściowych jest tak samo ważne, jak jego specyfikacje. Dlatego aby w pełni wykorzystać potencjał wzmacniaczy niskoszumowych (LNA), projektanci muszą korzystać z wyrafinowanych narzędzi do modelowania i planowania układu. Znakomite parametry części mogą łatwo ulec degradacji z powodu słabego układu lub dopasowania impedancji, dlatego kluczowe jest korzystanie z wykresów Smitha dostarczonych przez sprzedawcę (patrz: „Wykres Smitha: archaiczne, które wciąż ma kluczowe znaczenie w projektowaniu rozwiązań na częstotliwości radiowej”), wraz z wiarygodnymi modelami obwodu umożliwiającymi pracę oprogramowania symulacyjnego i analitycznego.

Z tych powodów prawie wszyscy sprzedawcy wysokowydajnych wzmacniaczy niskoszumowych (LNA), działających w zakresie GHz, oferują płytki ewaluacyjne lub sprawdzone układy płytek drukowanych, ponieważ każdy aspekt konfiguracji testowej ma znaczenie krytyczne, włączając w to układ, złącza, uziemienie, obejście i zasilanie. Bez tych zasobów projektanci będą tracić czas na próby oceny parametrów działania części w swoim zastosowaniu.

Przykładem wzmacniacza niskoszumowego (LNA) na bazie arsenku galu (GaAs) jest tranzystor pseudomorficzny o wysokiej ruchliwości elektronów (pHEMT) HMC519LC4TR firmy Analog Devices, działający w paśmie 18-31GHz (ilustracja 2). Jego bezodprowadzeniowa obudowa ceramiczna o wymiarach 4 × 4mm do montażu powierzchniowego oferuje wzmocnienie słabych sygnałów równe 14dB, niski współczynnik szumów 3,5dB oraz wysoki punkt przechwytu trzeciego rzędu (IP3) +23dBm. Pobiera on 75mA z pojedynczego źródła zasilania +3V.

Ilustracja 2: wzmacniacze niskoszumowe (LNA) HMC519LC4TR wykonane z arsenku galu (GaAs) zapewniają wzmocnienie i niskie szumy dla wejść niskopoziomowych w zakresie od 18 do 31GHz.Większość połączeń obudowy jest przeznaczona dla szyn zasilających, uziemienia lub nieużywanych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Widać postęp projektowy, od prostego schematu blokowo-funkcjonalnego do użycia wielu kondensatorów zewnętrznych o różnych wartościach i typach, potrzebnych do zapewnienia prawidłowego obejścia częstotliwości radiowych (RF) z niską wartością pasożytniczą na trzech doprowadzeniach szyny zasilającej, oznaczonych V_dd (ilustracja 3).

Ilustracja 3: w rzeczywistych zastosowaniach wzmacniacz niskoszumowy (LNA) HMC519LC4TR wymaga wielu kondensatorów obejściowych na szynach zasilających - wszystkie o tym samym napięciu znamionowym - aby zapewnić zarówno pojemność zbiorczą do filtrowania niskiej częstotliwości, jak i kondensatorów o mniejszej wartości do obejścia częstotliwości radiowych (RF) w celu zminimalizowania zjawisk pasożytniczych RF. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ten rozbudowany schemat prowadzi do płytki ewaluacyjnej. Poniżej przedstawiono zarówno jej układ, jak i wykaz materiałów BOM, uwzględniając zastosowanie materiału płytki drukowanej innego niż FR4 (ilustracje 4(a) i 4(b)).

Ilustracja 4(a)

Ilustracja 4(b)

Ilustracja 4: biorąc pod uwagę wysokie częstotliwości, przy których działają omawiane układy front-end wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) oraz niskie poziomy sygnałów, które muszą przechwytywać, niezbędny jest szczegółowy, przetestowany projekt ewaluacyjny. Obejmuje to schemat (nie ukazano), układ płytki (a) oraz wykaz materiałów BOM, ze specyfiką komponentów pasywnych i materiału płytki drukowanej (b). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wzmacniacz niskoszumowy (LNA) MAAL-011111 firmy MACOM, wykonany z arsenku galu (GaAs) pozwala na pracę w zakresie jeszcze wyższych częstotliwości od 22 do 38GHz (ilustracja 5). Zapewnia on wzmocnienie słabych sygnałów 19dB oraz współczynnik szumów 2,5dB. Omawiany wzmacniacz niskoszumowy (LNA) wydaje się być urządzeniem jednostopniowym, ale w jego wnętrzu znajdują się trzy stopnie połączone kaskadowo. Pierwszy stopień jest zoptymalizowany pod kątem najniższych szumów i umiarkowanego wzmocnienia, podczas gdy kolejne zapewniają dodatkowe wzmocnienie.

Ilustracja 5: z perspektywy użytkownika, wzmacniacz niskoszumowy (LNA) MAAL-011111 wydaje się być wzmacniaczem jednostopniowym, ale w jego wnętrzu znajduje się szereg stopni wzmocnienia zaprojektowanych w celu maksymalizacji stosunku sygnału do szumu (SNR) na drodze wejścia-wyjścia, przy jednoczesnym znacznym wzmocnieniu na wyjściu. (Źródło ilustracji: MACOM)

Podobnie jak wzmacniacze niskoszumowe (LNA) firmy Analog Devices, również wzmacniacz MAAL-011111 wymaga tylko jednego niskonapięciowego źródła zasilania i ma wymiary zaledwie 3 × 3mm. Użytkownik może dostosować niektóre specyfikacje, stosując szereg możliwych kompromisów, ustawiając napięcie polaryzacji (zasilania) na różne wartości w zakresie od 3,0 do 3,6V. Sugerowany układ płytki wskazuje krytyczne wymiary miedzi na płytce drukowanej, potrzebne do utrzymania odpowiedniego dopasowania impedancji i parametrów działania względem płaszczyzny uziemienia (ilustracja 6).

Ilustracja 6: sugerowany układ pozwala w pełni wykorzystać możliwości urządzenia MAAL-011111 firmy MACOM, zapewniając jednocześnie dopasowanie impedancji wejściowej i wyjściowej. Należy zwrócić uwagę na użycie miedzi na płytce drukowanej w liniach przesyłowych z kontrolą impedancji, a także na niskoimpedancyjnych płaszczyznach uziemienia (wymiary w milimetrach). (Źródło ilustracji: MACOM)

Wzmacniacz mocy (PA) steruje anteną

W przeciwieństwie do trudnego wyzwania, jakim dla wzmacniacza niskoszumowego (LNA) jest przechwytywanie sygnału, wzmacniacz mocy (PA) otrzymuje z obwodów stosunkowo silny sygnał o bardzo wysokim stosunku sygnału do szumu (SNR) i musi zwiększyć jego moc. Znane są wszystkie ogólne czynniki dotyczące sygnału, takie jak amplituda, modulacja, kształt, cykl pracy itp. Jest to kwadrant znanego sygnału i znanego szumu na mapie przetwarzania sygnału, który jest najłatwiejszy w zarządzaniu.

Podstawowym parametrem wzmacniacza mocy (PA) jest jego moc wyjściowa przy interesującej nas częstotliwości, z typowym wzmocnieniem wzmacniacza mocy (PA) w zakresie od +10 do +30dB. Oprócz wzmocnienia, innym krytycznym parametrem wzmacniacza mocy (PA) jest sprawność, jednak jakakolwiek ocena sprawności jest skomplikowana ze względu na model użytkowania, modulację, cykl pracy, dopuszczalne zniekształcenia i inne aspekty sygnału, który ma być wzmocniony. Sprawność wzmacniacza mocy (PA) mieści się w zakresie od 30 do 80%, ale jest bardzo zależna od wielu czynników. Liniowość wzmacniacza mocy (PA) również ma znaczenie krytyczne i jest oceniana na podstawie punktu przechwytu trzeciego rzędu (IP3), podobnie jak w przypadku wzmacniaczy niskoszumowych (LNA).

Podczas gdy wiele wzmacniaczy mocy (PA) wykorzystuje technologię komplementarnych półprzewodników tlenkowych (CMOS) przy niższych poziomach mocy (do około 1 do 5W), w ostatnich latach do powszechnego użytku weszły inne dojrzałe technologie, zwłaszcza przy wyższych poziomach mocy, gdzie sprawność ma znaczenie krytyczne zarówno dla czasu pracy baterii, jak i ze względów termicznych . Wzmacniacze mocy (PA) wykorzystujące azotek galu (GaN) oferują lepszą sprawność przy wyższych poziomach mocy i wyższych częstotliwościach (zwykle powyżej 1GHz), gdzie potrzebnych jest kilka watów lub więcej. Wzmacniacze mocy (PA) wykonane z azotku galu (GaN) są konkurencyjne cenowo, zwłaszcza gdy weźmie się pod uwagę sprawność i straty mocy.

Dla najnowszych wzmacniaczy mocy (PA) na bazie azotku galu (GaN) reprezentatywne jest urządzenie CGHV14800F firmy Wolfspeed na częstotliwości od 1200 do 1400MHz o mocy 800W. Kombinacja sprawności, wzmocnienia i szerokości pasma wzmacniacza mocy (PA) z tranzystorem o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) jest zoptymalizowana pod kątem impulsowych wzmacniaczy radarowych na pasmo L, co otwiera projektantom drogę do wielu zastosowań, takich jak systemy kontroli ruchu lotniczego (ATC), systemy pogodowe, przeciwrakietowe i śledzenia celów. Przy zasilaniu 50V zapewnia on typową sprawność drenową co najmniej 50% i jest dostarczany w obudowie ceramicznej o wymiarach 10 × 20mm z metalowymi kołnierzami chłodzącymi (ilustracja 7).

Ilustracja 7: obudowa ceramiczna o wymiarach 10 × 20mm z kołnierzami metalowymi wzmacniacza mocy (PA) CGHV14800F z azotku galu (GaN) na częstotliwości 1200-1400MHz o mocy 800W, która musi jednocześnie spełniać surowe wymagania dotyczące częstotliwości radiowych (RF) i wymagania dotyczące rozpraszania. Zwróćmy uwagę na kołnierze mocujące, służące do przykręcania (a nie lutowania) obudowy do płytki drukowanej w celu zapewnienia integralności mechanicznej i termicznej. (Źródło ilustracji: Wolfspeed)

Urządzenie CGHV14800F działa przy zasilaniu 50V, zwykle zapewniając wzmocnienie mocy 14dB przy sprawności drenowej >65%. Podobnie jak w przypadku wzmacniaczy niskoszumowych (LNA), niezbędne są obwody ewaluacyjne i projekty referencyjne (ilustracja 8).

Ilustracja 8: obwód demonstracyjny przewidziany dla wzmacniacza mocy (PA) CGHV14800F wymaga bardzo niewielu komponentów oprócz samego urządzenia, ale krytyczne znaczenie ma układ fizyczny i względy termiczne. Wzmacniacz mocy (PA) mocowany jest do płytki za pomocą wkrętów i nakrętek (na dole, niewidoczne) przez kołnierze obudowy, co zapewnia zarówno integralność montażu, jak i parametry termiczne. (Źródło ilustracji: Wolfspeed)

Oprócz wielu tabel specyfikacji i krzywych parametrów działania, równie ważna jest krzywa obniżenia parametrów znamionowych ilustrująca moc rozpraszaną (ilustracja 9). Pokazuje dostępną znamionową moc wyjściową w funkcji temperatury obudowy i wskazuje, że maksymalna dozwolona moc jest stała do 115°C, a następnie spada liniowo do maksymalnej temperatury znamionowej 150°C.

Ilustracja 9: ze względu na rolę w dostarczaniu mocy, krzywa obniżania parametrów znamionowych wzmacniacza mocy (PA) jest potrzebna, aby pokazać projektantom redukcję dozwolonej mocy wyjściowej wraz ze wzrostem temperatury obudowy. Tutaj moc znamionowa gwałtownie spada po przekroczeniu temperatury 115°C. (Źródło ilustracji: Wolfspeed)

Firma MACOM oferuje również wzmacniacze mocy (PA) oparte na azotku galu (GaN), takie jak np. tranzystor GaN NPT1007 (ilustracja 10). Jego zakres częstotliwości od zera do 1200MHz sprawia, że nadaje się zarówno do szerokopasmowych, jak i wąskopasmowych zastosowań radiowych (RF). Zwykle działa przy pojedynczym źródle zasilania o napięciu od 14 do 28V, zapewniając wzmocnienie słabych sygnałów 18dB przy częstotliwości 900MHz. Został zaprojektowany tak, aby tolerować niedopasowanie współczynnika fali stojącej 10:1 bez negatywnego wpływu na urządzenie.

Ilustracja 10: wzmacniacz mocy (PA) wykonany z azotku galu (GaN) NPT1007 firmy MACOM pracuje w zakresie częstotliwości od zera do 1200MHz, dzięki czemu nadaje się zarówno do szerokopasmowych, jak i wąskopasmowych zastosowań radiowych (RF). Projektanci otrzymują dodatkowe wsparcie w postaci różnorodnych wykresów obciążenia wymuszonego. (Źródło ilustracji: MACOM)

Oprócz wykresów ukazujących podstawowe parametry działania przy częstotliwościach 500, 900 i 1200MHz, dla urządzenia NPT1007 przewidziano różnorodne wykresy obciążenia wymuszonego, aby pomóc projektantom obwodów i systemów, którzy chcą zapewnić solidność produktu (ilustracja 11). Próby obciążenia wymuszonego są wykonywane przy użyciu sparowanego źródła sygnału i analizatora sygnałów (analizator widma, miernik mocy lub odbiornik wektorowy).

Próba wymaga różnicowania impedancji widzianej przez urządzenie badane (DUT) w celu oceny parametrów działania wzmacniacza mocy (PA) (z uwzględnieniem takich czynników, jak moc wyjściowa, wzmocnienie i sprawność), ponieważ wszelkie powiązane wartości komponentów mogą ulec zmianie wraz ze zmianą temperatury lub w wyniku odchylenia od wartości nominalnych w pasmach tolerancji.

Ilustracja 11: wykres obciążenia wymuszonego dla wzmacniacza mocy (PA) NPT1007 wykracza poza standardową tabelę specyfikacji z wartościami minimalnymi, maksymalnymi i typowymi, pokazując parametry działania wzmacniacza mocy (PA) wraz ze zmianą impedancji obciążenia w stosunku do wartości nominalnej, do której dojdzie w rzeczywistym użyciu ze względu na początkowe tolerancje produkcyjne i jak również dryft termiczny. (Źródło ilustracji: MACOM)

Bez względu na zastosowaną technologię wzmacniacza mocy (PA), sprzedawca musi w pełni scharakteryzować impedancję wyjściową urządzenia, aby projektant mógł ją odpowiednio dopasować do anteny w celu uzyskania maksymalnego transferu mocy i utrzymania współczynnika fali stojącej (SWR) możliwie bliskiego jedności. Omawiany obwód dopasowujący składa się głównie z kondensatorów i cewek indukcyjnych, które mogą być zrealizowane jako urządzenia dyskretne lub wykonane jako część płytki drukowanej, a nawet jako element obudowy produktu. Muszą być również zaprojektowane tak, aby wytrzymywały poziomy mocy wzmacniacza mocy (PA). Również tutaj, użycie takich narzędzi jak wykres Smitha jest niezbędne do zrozumienia i wdrożenia wymaganego dopasowania impedancji.

Ze względu na niewielkie rozmiary struktury wzmacniacza mocy (PA) i na wysokie poziomy mocy, obudowa ma znaczenie krytyczne. Jak wykazano wcześniej, w wielu wzmacniaczach mocy (PA) odprowadzenie ciepła jest realizowane za pomocą szerokich, rozpraszających ciepło odprowadzeń i kołnierzy obudowy, a także przez spód obudowy, który działa jako ścieżka do miedzi na płytce drukowanej. Przy wyższych poziomach mocy (powyżej około 5 do 10W), wzmacniacz mocy (PA) może mieć miedzianą pokrywę, aby umożliwić zamontowanie radiatora na górze, a także może wymagać użycia wentylatorów lub innych zaawansowanych technik chłodzenia.

Moc znamionowa i niewielkie rozmiary, charakterystyczne dla wzmacniaczy mocy (PA) wykonanych z azotku galu (GaN) oznaczają, że modelowanie środowiska termicznego ma kluczowe znaczenie. Oczywiście nie wystarczy, aby sam wzmacniacz znajdował się w warunkach dopuszczalnych temperatur obudowy lub złącza. Jakiekolwiek ciepło usuwane ze wzmacniacza mocy (PA) nie może stanowić problemu dla innych części obwodu i układu. Należy zwrócić uwagę na całą ścieżkę termiczną i nią też się zająć.

Podsumowanie

Systemy oparte na częstotliwościach radiowych (RF), od smartfonów po terminale VSAT i systemy radarowe z szykiem fazowym, przesuwają granice parametrów działania wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) i wzmacniaczy mocy (PA). Skłoniło to producentów urządzeń do wyjścia poza krzem oraz zgłębienia technologii arsenku galu (GaAs) i azotku galu (GaN) w celu zapewnienia wymaganych parametrów działania.

Te nowe technologie wytwarzania zapewniają projektantom urządzenia o większych szerokościach pasma, mniejszej zajmowanej powierzchni i większej sprawności. Jednak, aby skutecznie stosować te nowe technologie, projektanci muszą rozumieć podstawy działania wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) i wzmacniaczy mocy (PA).