Sfruttare al massimo i processi con materiali esotici negli LNA per 5G

Di Bill Schweber

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Mentre lo sviluppo delle reti wireless 5G continua, le prestazioni del front-end di una radio diventano un fattore sempre più critico nel percorso del segnale del ricevitore RF, in particolare rispetto all'amplificatore a basso rumore (LNA). Con l'emergere di nuove tecnologie di processo per gli LNA come il silicio-germanio (SiGe), l'arseniuro di gallio (GaAs) e il silicio su isolante (SOI), per poterle usare efficacemente i progettisti devono trovare nuovi compromessi in termini di prestazioni nei parametri degli LNA come rumore, sensibilità, larghezza di banda e potenza.

L'importanza del front-end non deve essere mai sottovalutata in quanto determina in larga misura le prestazioni del sistema relativamente alle situazioni di segnale debole e al tasso di errori di bit ottenibile. Se le prestazioni degli LNA non sono all'altezza, il resto dell'impegno nella progettazione dei circuiti e nella gestione del canale ricevente per soddisfare le caratteristiche del 5G servirà a poco.

Questo articolo tratterà dello stato del 5G e dei requisiti che impone sulle prestazioni degli LNA. Introdurrà quindi delle soluzioni utilizzando e sfruttando al massimo le tecnologie di processo più recenti che possono aiutare a soddisfare tali requisiti.

Lo stato del 5G in poco più di 100 parole

Non è facile, ma ci proveremo. Sebbene le specifiche per il 5G siano state finalizzate, su questa tecnologia i lavori sono sempre in corso. Molte delle caratteristiche promesse dal 5G devono ancora essere finalizzate nell'attesa di ulteriori sviluppi, tra cui altre riunioni, prove sul campo e riscontri dai fornitori di componenti e dagli operatori wireless.

Tuttavia, alcuni problemi sono già chiari: i progetti 5G occuperanno nuovi blocchi dello spettro elettromagnetico, anche se alcune implementazioni iniziali saranno ancora al di sotto dei 6 gigahertz (GHz). La maggior parte dei sistemi 5G opererà nelle bande delle onde millimetriche; negli Stati Uniti sono disponibili le bande 27 - 28 e 37 - 40 GHz. Ci sono addirittura alcune allocazioni preliminari oltre i 50 GHz. A causa di problemi tecnici, le prime implementazioni delle onde millimetriche saranno nella banda 27 - 28 GHz.

Il ruolo specifico di un LNA

Anche se la specifica 5G consente molte opzioni per la modulazione, la potenza, la velocità dei dati e altre funzionalità, la maggior parte di queste caratteristiche non suscita particolari preoccupazioni per l'LNA del canale di ricezione. Questo componente deve fare una sola cosa e farla bene: acquisire dall'antenna il segnale debole e disturbato dal rumore elettronico e amplificarlo, aggiungendo il minor rumore possibile. Pertanto, conviene iniziare a guardare da vicino l'LNA senza preoccuparsi troppo dei problemi derivanti da specifiche di livello superiore dato che sono tuttora in evoluzione.

La specifica primaria dell'LNA per un funzionamento accettabile in una determinata banda è la cifra di rumore (NF), ossia la quantità di rumore intrinseco aggiunto dall'LNA stesso. Per il 5G, in particolare attorno ai 28 GHz, la cifra di rumore deve essere compresa in genere tra 1 e 3 dB, anche se in alcune situazioni può essere accettabile un valore di uno o due dB in più. (Per una discussione più approfondita su alcuni dei fattori di rumore elettronico più comuni, vedere "Capisco la cifra di rumore, ma cosa ha a che fare con la 'temperatura'?".) In genere, il guadagno deve essere compreso tra 15 e 20 dB per aumentare il segnale ricevuto fino a un intervallo in cui può essere gestito correttamente da amplificatori, filtri e digitalizzazione successivi.

Infine, i fattori relativi alla linearità della compressione di uscita a 1 dB (detta OP1 o P1dB) e il punto di intercetta dell'uscita del terzo ordine (OIP3) devono essere rispettivamente di almeno -20 e -35 dBm. Alle bande 5G inferiori, questi requisiti sono meno rigidi su OP1 e OIP3, ossia nell'ordine di -20 dBm per la prima e da -10 a -15 dBm per la seconda. Si noti che un valore negativo più ampio indica prestazioni superiori (-25 dBm è migliore di -20 dBm), ma molte schede dati tralasciano il segno negativo, il che può causare confusione.

Dal momento che dal punto di vista funzionale sono amplificatori "semplici", gli LNA hanno uno schema a blocchi molto elementare - di solito solo un triangolo amplificatore - e richiedono solo pochi terminali, in genere tra sei e otto. Grazie a tale semplicità i rispettivi contenitori sono miniaturizzati, dell'ordine di 1 e 2 millimetri per lato, e spesso ancora meno.

I nuovi processi portano gli LNA verso il 5G

Esistono molti LNA ad alte prestazioni adattati a frequenze più basse di diversi GHz (ad esempio le bande da 2,4 GHz e 5 GHz), ma non soddisfano i difficili requisiti dei front-end 5G. Poiché gli LNA basati su silicio stanno raggiungendo i loro limiti prestazionali, vengono utilizzati nuovi processi e materiali diversi per i semiconduttori allo scopo di far fronte al complesso mix di specifiche prestazionali per il 5G. Anche nelle bande 5G più basse, il silicio standard non ha una cifra di rumore sufficientemente bassa e valori di linearità OP1/OIP3 adeguati al 5G, con i suoi livelli dei segnali di trasmissione e ricezione più bassi, rispetto agli standard wireless esistenti.

Per questi motivi, i produttori hanno investito molto in ricerca e sviluppo e nella produzione in serie con nuove tecnologie di processo basate su materiali diversi, SiGe, SOI e GaAs, che offrono maggiore mobilità degli elettroni, geometrie più piccole e perdite inferiori.

Usando ad esempio il processo SiGe, l'LNA BGA8U1BN6 di Infineon Technologies ha una cifra di rumore di soli 1,6 dB, con un OP1 tra 18 e 22 dBm e un OIP3 tra 10 e 15 dBm. Funziona nelle bande tra 4 e 6 GHz con un guadagno di 13,7 dB.

Inoltre, BGA8U1BN6 offre una funzione di risparmio energetico grazie alla quale può essere portato in modalità bypass, stato in cui si limita a passare il segnale in ingresso all'uscita, con una perdita di inserzione di 7,5 dB (Figura 1). Questa funzione è utile quando l'intensità del segnale ricevuto è elevata: evita il sovraccarico dello stadio successivo e consente un notevole risparmio energetico abbassando la corrente di alimentazione dell'LNA di 2,8 V da circa 20 mA a circa 100 μA.

Schema dell'LNA SiGe BGA8U1BN6 di Infineon Technologies

Figura 1: L'LNA SiGe BGA8U1BN6 di Infineon Technologies incorpora una modalità di bypass che esclude la sua funzione precipua limitandosi a far passare il segnale dall'ingresso all'uscita. Tale funzione riduce il guadagno ed evita il sovraccarico e la saturazione degli stadi successivi, mentre abbassa anche la domanda di corrente. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

La modalità di bypass è offerta anche da SKY65806-636LF di Skyworks Solutions, un LNA in tecnologia SOI per la banda da 3400 a 3800 MHz. Il guadagno è simile a quello del dispositivo Infineon a 13,6 dB, mentre la cifra di rumore è di appena 1,2 dB. L'intervallo della tensione di alimentazione si situa tra 1,6 e 3,3 V, con una corrente di funzionamento di soli 3,85 mA. Come quello di Infineon, questo LNA da 50 Ω include una funzione di bypass controllata dall'utente.

L'LNA ADL5724 di Analog Devices utilizza la tecnologia di processo SiGe ed è progettato per la banda da 12,7 GHz a 15,4 GHz (Figura 2). La sua uscita differenziale bilanciata a 100 Ω è ideale per il pilotaggio di convertitori riduttori differenziali e convertitori analogico/digitale. Il guadagno tipico è superiore a 23,7 dB, mentre la cifra di rumore tipica è 2,1 dB a 12,7 GHz e 2,4 dB a 15,4 GHz.

Schema del SiGe ADL5724 di Analog Devices

Figura 2: Il SiGe ADL5724 di Analog Devices fornisce uscite bilanciate e differenziali che garantiscono una maggiore integrità del segnale fino allo stadio successivo della catena di segnali. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Poiché molti LNA non sono in genere destinati all'implementazione in ambienti con temperatura stabile, la scheda dati di ADL5724 include grafici di fattori di prestazione critici rispetto alla temperatura (Figura 3).

Grafici di temperatura illustrati dai valori di (a) guadagno e (b) cifra di rumore

Figura 3: Le prestazioni di un LNA dipendono dalla temperatura come mostrato da questi grafici di (a) guadagno e (b) cifra di rumore entrambi rapportati alla frequenza, a -40 °C, +25 °C e +85 °C. Si noti come all'aumentare della temperatura il guadagno diminuisce mentre la cifra di rumore aumenta. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per ADL5724, il guadagno diminuisce leggermente con la temperatura mentre la cifra di rumore aumenta. Questo comportamento è tipico degli LNA, indipendentemente dalla tecnica di processo. I progettisti devono tenere conto di queste variazioni quando effettuano modellazioni e simulazioni del peggior caso in tema di prestazioni della catena dei segnali.

Per un'alta gamma dinamica e un basso rumore, MACOM Technology Solutions Holdings (MACOM) propone MAAL-011078, un LNA GaAs a stadio singolo e alta gamma dinamica con una cifra di rumore estremamente bassa di soli 0,5 dB a 2,6 GHz. Garantisce inoltre un guadagno di 22 dB e un'elevata linearità di 33 dBm (OIP3) e 17,5 dBm (P1dB). Questo circuito integrato che copre da 700 MHz a 6 GHz include una funzione aggiuntiva: un circuito integrato di polarizzazione attiva che consente agli utenti di impostare la corrente di polarizzazione (punto di lavoro) tramite un resistore esterno. Di conseguenza, l'utente può personalizzare il consumo energetico per adattarlo all'applicazione. Ad esempio, può optare per prestazioni leggermente ridotte per impegnare una corrente di funzionamento inferiore (Figura 4).

Il grafico di MAAL-011078 di MACOM consente agli utenti di impostare la corrente di polarizzazione dell'LNA

Figura 4: MAAL-011078 di MACOM consente agli utenti di impostare la corrente di polarizzazione e il punto di lavoro dell'LNA tramite un resistore esterno, sacrificando leggermente OIP3 (a sinistra) e le prestazioni P1dB (a destra) rispetto alla frequenza per una corrente di funzionamento più bassa. (Immagine per gentile concessione di MACOM)

Ottenere il massimo da un LNA 5G

Una volta scelto l'LNA adatto al 5G, sono necessarie alcune considerazioni per implementare un progetto front-end 5G e ottenere il massimo da quel dato LNA. Quando la frequenza operativa supera i 5 - 10 GHz, ci sono cinque fattori principali da prendere in considerazione, oltre all'LNA stesso.

1: la scelta del materiale della scheda a circuiti stampati - Nella gamma dei gigahertz, le perdite della linea di trasmissione tra ingresso e uscita dell'LNA sono un fattore importante. E questo si rivela particolarmente vero per il lato ingresso in quanto qui le perdite peggiorano il massimo rapporto segnale-rumore ottenibile e si sommano anche al rumore dell'uscita dell'LNA. Poiché nella maggior parte dei progetti la linea di trasmissione è realizzata come stripline sulla scheda stessa, quest'ultima deve essere costituita da un materiale dielettrico a bassa perdita.

L'onnipresente lamina per schede a circuiti stampati FR4 non è però adeguata. Ecco perché i fornitori offrono numerosi materiali e lamine alternativi. Una scheda ampiamente utilizzata adotta una lamina speciale posta sopra un nucleo di FR4 per garantire un fattore di perdita stabile per la linea di trasmissione, ma conservando la robustezza offerta dall'FR4.

Tenere presente che a queste frequenze la scheda deve essere considerata come un altro "componente" passivo nella progettazione del circuito, compresi gli elementi parassiti, tipici di qualsiasi altro componente passivo. Inoltre, devono essere prese in considerazione anche sottigliezze come il coefficiente di temperatura delle caratteristiche primarie della scheda e i suoi elementi parassiti. I fornitori dei materiali per schede ad alte prestazioni danno anche questi dati.

2: la selezione dei condensatori - È necessario utilizzare condensatori ad alto Q per il circuito di abbinamento tra ingresso e uscita affinché la cifra di rumore dentro e fuori l'LNA resti bassa. I componenti a basso Q fanno scadere la cifra di rumore di un fattore qualsiasi compreso tra 0,2 dB e 1 dB. I diffusi condensatori NPO sono a basso Q e accusano perdite superiori, di conseguenza dovrebbero essere evitati. I condensatori ad altissimo Q sono a base di porcellana, ma sono costosi. Facendo un'analisi delle prestazioni e dei costi è possibile trovare un compromesso accettabile.

3: il bypass dell'alimentazione - È risaputo, ma spesso viene trascurato, quindi è utile ripeterlo. Un bypass accurato e preciso dell'alimentazione c.c. sul circuito integrato (e altrove) è essenziale per garantire prestazioni stabili, omogenee e ad alta frequenza. I condensatori di bypass scelti dovrebbero avere un'impedenza minima alle frequenze necessarie per massimizzare le caratteristiche di disaccoppiamento.

Ad esempio, un condensatore da 1000 picofarad (pF) non è una buona scelta per il disaccoppiamento ad alta frequenza. A 5 GHz, la frequenza di autorisonanza di un condensatore da 1000 pF lo fa apparire come un induttore e quindi potrebbe essere controproducente per il disaccoppiamento. Invece, vicino all'LNA si dovrebbe montare un condensatore con una bassa capacità elettrica (tipicamente meno di 10 pF). Inoltre, il progetto dovrebbe includere il convenzionale disaccoppiamento a frequenze inferiori usando una combinazione parallela di condensatori da 1000 pF e 0,01 μF. Non è necessario che questi siano posizionati vicino all'LNA.

4: l'accoppiamento di ingresso e uscita - Molti LNA hanno un'impedenza di 50 Ω per il loro ingresso e uscita, ma non tutti offrono questi valori. Ma anche quando i valori sono questi, il circuito che pilota l'LNA e quello pilotato dall'uscita dell'LNA possono non essere da 50 Ω. Pertanto, è necessario creare un circuito di adattamento con la carta di Smith e i parametri S utilizzati per stabilire le opzioni di adattamento appropriate. Ancora una volta, i componenti passivi reattivi (induttori e condensatori) utilizzati alle frequenze 5G avranno elementi parassiti inevitabili di vario tipo: interni, a componenti vicini e alla scheda.

I progettisti dovrebbero fare tre cose: scegliere componenti corrispondenti progettati per bassi elementi parassiti a queste frequenze; assicurare che quelli inevitabili siano pienamente caratterizzati nel contesto del posizionamento dei componenti e utilizzare conseguentemente questi valori nella modellazione del circuito di adattamento e nella regolazione dei valori nominali.

5: l'interconnessioni via cavo - Alcune installazioni 5G richiedono interconnessioni che si estendono oltre la scheda a circuiti stampati e le sue linee di trasmissione stripline, affidandosi invece a cavi fisici. Se si utilizza l'interfacciamento differenziale, come spesso accade per mantenere i circuiti bilanciati e meno suscettibili al rumore, queste interconnessioni cablate possono richiedere coppie di cavi con distorsione di propagazione allineata ossia, idealmente, con identico ritardo di propagazione.

Per questo motivo, i cavi ad alte prestazioni per frequenze 5G che raggiungono i 40 GHz e oltre hanno spesso una differenza di ritardo entro 1 psec. Sono venduti e usati a coppie e i due cavi fisici sono dotati di fascette di ritenuta per tenerli sempre accoppiati in quanto non possono essere installati o sostituiti singolarmente. L'uso di questi cavi consente al circuito differenziale di supportare le prestazioni degli LNA di fascia alta che pilotano lo stadio successivo della catena dei segnali.

Conclusione

Lo standard wireless 5G sta spingendo le frequenze operative più in alto, nelle bande da diversi GHz fino a decine di GHz. Richiede anche caratteristiche di rumore e distorsione più basse ai circuiti analogici, in particolare sono necessari amplificatori a basso rumore. Le nuove tecnologie di processo dei circuiti integrati come SiGe, SOI e GaAs permettono di affrontare queste esigenze. Tuttavia, le prestazioni superiori degli LNA possono essere diminuite o vanificate da un'attenzione insufficiente alla realtà della RF a queste frequenze più alte.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Bill Schweber

Bill Schweber è un ingegnere elettronico autore di tre libri di testo sui sistemi di comunicazione elettronica, oltre a centinaia di articoli tecnici, colonne di giornale e caratteristiche del prodotto. In passato ha lavorato come responsabile tecnico di siti Web tematici per EE Times, oltre che come Executive Editor e Analog Editor presso EDN.

In Analog Devices, Inc. (fornitore leader di circuiti analogici e di segnali misti), Bill si occupava di comunicazioni di marketing (pubbliche relazioni); di conseguenza, ha esperienza su entrambi i lati della funzione tecnica PR, come presentatore di prodotti, storie e messaggi aziendali ai media e come parte ricevente.

Prima del ruolo MarCom in Analog, Bill è stato redattore associato della loro rispettata rivista tecnica e ha lavorato anche nei gruppi di product marketing e di ingegneria delle applicazioni. Ancor prima di questi ruoli, Bill lavorava presso Instron Corp., occupandosi di progettazione di circuiti analogici e di potenza e integrazione di sistemi per i controlli delle macchine di prova dei materiali.

Bill ha un MSEE (Univ. of Mass) e un BSEE (Columbia University), è un ingegnere professionista registrato e detiene una licenza da radioamatore di classe avanzata. Bill ha anche pianificato, scritto e presentato corsi online su una varietà di argomenti di ingegneria, compresi i concetti di base su MOSFET, sulla selezione di ADC e sul pilotaggio di LED.

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