Introduzione ai principi base degli amplificatori di potenza a basso rumore nei progetti wireless

La richiesta pressante di prestazioni, miniaturizzazione e funzionamento a una frequenza più alta sta sfidando i limiti di due componenti cruciali di un sistema wireless collegati alle antenne: l'amplificatore di potenza (PA) e l'amplificatore a basso rumore (LNA). Questo indirizzo è stato stimolato dagli sforzi per realizzare il 5G, oltre che dall'uso di PA e LNA in terminali VSAT, collegamenti radio a microonde e sistemi radar a schiera di fase.

Queste applicazioni hanno requisiti che comprendono una riduzione del rumore (per l'LNA) e una maggiore efficienza (per il PA), oltre a un funzionamento a frequenze più alte, fino a 10 GHz e oltre. Per far fronte a queste crescenti richieste, i produttori di LNA e di PA si stanno spostando dai tradizionali processi basati interamente sul silicio ad altri basati sull'arseniuro di gallio (GaAs) per gli LNA e sul nitruro di gallio (GaN) per i PA.

Questo articolo spiega il ruolo e i requisiti di LNA e PA e le loro caratteristiche principali, prima di presentare i tipici dispositivi GaAs e GaN e di ricordare i punti di cui tener conto al momento della progettazione.

Il ruolo sensibile di un LNA

La funzione di un LNA è di rilevare il segnale estremamente debole e incerto dall'antenna, solitamente nell'ordine di pochi microvolt o inferiore a -100 dBm e di amplificarlo a un livello più utile, solitamente di circa 0,5 o 1 volt (Figura 1). Per dare un'idea un po' più concreta, in un sistema a 50 Ω 10 μV corrisponde a -87 dBm e 100 μV a -67 dBm.

Se fornire questo guadagno di per sé non è un problema insormontabile con l'elettronica moderna, ciò viene gravemente compromesso da qualsiasi livello di rumore che l'LNA può aggiungere al debole segnale di ingresso. Questo rumore può annullare eventuali benefici di amplificazione aggiunti dall'LNA.

Figura 1: L'amplificatore a basso rumore (LNA) del percorso di ricezione e l'amplificatore di potenza (PA) del percorso di trasmissione si collegano all'antenna tramite un duplexer, che separa i due segnali e impedisce all'uscita relativamente potente del PA di prevalere sull'ingresso sensibile dell'LNA. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Tener presente che l'LNA opera in un mondo di incognite. Come "front-end" del canale ricevente, deve acquisire e amplificare un segnale a potenza e tensione molto basse oltre al rumore casuale associato trasmesso dall'antenna, il tutto all'interno della larghezza di banda interessata. Nella teoria del segnale, questa problematica è chiamata segnale/rumore sconosciuto ed è la più difficile da affrontare tra tutte le sfide nell'elaborazione dei segnali.

Per gli LNA, i parametri primari sono la cifra di rumore (NF), il guadagno e la linearità. Il rumore è dovuto a sorgenti termiche e altre fonti, con cifre di rumore tipiche nell'intervallo di 0,5 ~ 1,5 dB. Il guadagno tipico va da 10 a 20 dB per un singolo stadio. Alcuni progetti utilizzano amplificatori in cascata con uno stadio NF basso, a basso guadagno, seguito da uno stadio di guadagno maggiore che potrebbe avere un NF superiore, ma ciò è molto rilevante una volta che il segnale iniziale aumenta di guadagno. (Per saperne di più sugli LNA, sul rumore e sui ricevitori RF, vedere l'articolo TechZone "Gli amplificatori a basso rumore aumentano la sensibilità di un ricevitore".)

La non linearità è un altro problema per gli LNA, dato che le armoniche risultanti e la distorsione di intermodulazione danneggiano il segnale ricevuto e rendono più difficile demodularlo e decodificarlo con un BER (tasso degli errori di bit) sufficientemente basso. La linearità è caratterizzata solitamente dal punto di intercetta del terzo ordine (IP3), che riguarda i prodotti non lineari, causate dal termine non lineare di terzo ordine al segnale amplificato linearmente; maggiore è il valore IP3, più lineare saranno le prestazioni dell'amplificatore.

Consumo energetico ed efficienza nell'LNA non sono generalmente tra le preoccupazioni principali. Per loro natura, gli LNA sono dispositivi piuttosto parsimoniosi, con un consumo di corrente da 10 a 100 mA e forniscono un guadagno di tensione per gli stadi successivi, non dovendo fornire energia a un carico. Inoltre, vi sono solo uno o due canali LNA nel sistema (quest'ultimo solitamente nei progetti con antenna diversity per interfacce Wi-Fi e 5G), quindi qualsiasi risparmio generato dall'uso di un LNA a basso consumo sarebbe modesto.

A parte la frequenza operativa e la larghezza di banda, esiste una serie relativamente ampia di somiglianze funzionali tra gli LNA. Alcuni LNA includono anche il controllo di guadagno in modo che l'amplificatore possa gestire un'ampia gamma dinamica di segnali di ingresso senza sovraccarico e saturazione. Tale intensità del segnale di ingresso ad ampia variazione è comune nelle applicazioni mobili dove la perdita del percorso da stazione base a telefono può essere notevole, anche durante un singolo ciclo di connessione.

Il routing dei segnali di ingresso a un LNA, e i segnali di uscita da esso, è importante quanto le specifiche del componente stesso. Pertanto i progettisti devono usare strumenti di modellamento e di layout sofisticati affinché l'LNA funzioni al massimo delle sue potenzialità. Un componente ottimo può facilmente venire deteriorato da un layout o da un adattamento di impedenza scadenti. È quindi cruciale usare la carta di Smith data dal fornitore (vedere, "The Smith Chart: An 'Ancient' Graphical Tool Still Vital In RF Design"), oltre a modelli fattibili del circuito per supportare il software di simulazione e di analisi.

Per queste ragioni, quasi tutti i fornitori di LNA ad alte prestazioni che operano nel campo dei GHz offrono una scheda di valutazione o un layout del circuito stampato verificato, dato che ogni aspetto della configurazione di prova è cruciale, compreso il layout, i connettori, la messa a terra, il bypass e la potenza. Senza queste risorse, i progettisti sprecheranno tempo a tentare di valutare le prestazioni del componente nella loro applicazione.

Un esempio di LNA basato su GaAs è HMC519LC4TR, un dispositivo pHEMT (transistor ad alta mobilità elettronica pseudomorfico) da 18 a 31 GHz di Analog Devices (Figura 2). Questo contenitore a montaggio superficiale ceramico 4 × 4 mm senza conduttori offre un guadagno di piccolo segnale di 14 dB oltre a un basso rumore di 3,5 dB e a un alto IP3 di +23 dBm. Assorbe 75 mA da una singola alimentazione di +3 V.

Figura 2: L'LNA GaAs HMC519LC4TR offre un guadagno con basso rumore per ingressi a basso livello da 18 a 31 GHz; la maggior parte delle connessioni dei contenitori sono per rail di alimentazione, la terra o non sono utilizzate. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Esiste una progressione del progetto da uno schema a blocchi funzionale semplice a condensatori esterni multipli di diversi valori e tipi necessari per fornire un bypass RF corretto con basse correnti parassite su tre rail di alimentazione, designati V_dd (Figura 3).

Figura 3: In un'applicazione del mondo reale, l'LNA HMC519LC4TR richiede più condensatori di fuga sui suoi rail di alimentazione – tutti della stessa tensione nominale – per fornire sia capacità di massa per il filtraggio della bassa frequenza sia condensatori di valore più piccolo per il bypass RF per ridurre le correnti parassite RF. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo miglioramento dello schema porta alla scheda di valutazione, che dettaglia sia il layout che la distinta base, incluso l'uso di materiale del circuito stampato non FR4 (Figura 4(a) e 4(b)).

Figura 4(a)

Figura 4(b)

Figura 4: Considerate le alte frequenze a cui operano questi front-end LNA e i segnali di basso livello che devono acquisire, è essenziale un progetto di valutazione dettagliato e testato. Questo progetto deve comprendere uno schema (non mostrato), il layout della scheda (a), una distinta base, con le specifiche dei componenti passivi e del materiale del circuito stampato (b). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un LNA GaAs per frequenze ancora maggiori è MAAL-011111 di MACOM, che supporta un funzionamento da 22 a 38 GHz (Figura 5). Offre un guadagno di piccolo segnale di 19 dB, oltre a una cifra di rumore di 2,5 dB. Questo LNA sembra un dispositivo monostadio, ma internamente ha tre stadi in cascata. Il primo stadio è ottimizzato per il rumore più basso e guadagno moderato, mentre quelli successivi forniscono un ulteriore guadagno.

Figura 5: All'utente, l'LNA MAAL-011111 appare come un amplificatore monostadio, ma internamente usa una serie di stadi di guadagno atti a massimizzare l'SNR del percorso del segnale da ingresso a uscita, con l'aggiunta di un guadagno significativo all'uscita. (Immagine per gentile concessione di MACOM)

Come l'LNA di Analog Devices, MAAL-011111 ha bisogno di una sola alimentazione a bassa tensione e misura solo 3 × 3 mm. L'utente può regolare e compensare alcune specifiche prestazionali impostando la tensione di alimentazioni di polarizzazione a valori diversi tra 3,0 e 3,6 V. Il layout suggerito della scheda mostra le dimensioni critiche del rame del circuito stampato necessarie per mantenere adattamento di impedenza e prestazioni del piano di massa corretti (Figura 6).

Figura 6: Il layout suggerito per ottenere il massimo da MAAL-011111 di MACOM, fornendo al contempo l'adattamento di impedenza in ingresso e in uscita. Tener presente l'uso del rame del circuito stampato per le linee di trasmissione a controllo di impedenza, come pure i piani di massa a bassa impedenza (dimensioni in millimetri). (Immagine per gentile concessione di MACOM)

Il PA pilota l'antenna

Contrariamente alle difficoltà di acquisizione dei segnali da parte dell'LNA, il PA prende un segnale relativamente forte, con un SNR molto alto dal circuito, e deve aumentare la sua potenza. Sono noti tutti i fattori generali riguardo il segnale, come ampiezza, modulazione, forma, ciclo di lavoro, eccetera. Questo è il quadrante segnale/rumore noto della mappa di elaborazione del segnale, quello più semplice da gestire.

Il parametro primario per il PA è la sua potenza di uscita alla frequenza interessata, con un guadagno PA tipico da +10 a +30 dB. Insieme al guadagno, l'efficienza è l'altro parametro critico di un PA, ma qualsiasi valutazione dell'efficienza è complicata da fattori come modello di utilizzo, modulazione, ciclo di lavoro, distorsione ammissibile e altri aspetti del segnale da amplificare. Le efficienze dei PA rientrano nell'intervallo del 30-80%, ma ciò dipende da molti fattori. La linearità di un PA, altro fattore critico, è giudicata dall'IP3, proprio come avviene per un LNA.

Mentre molti PA utilizzano la tecnologia CMOS ai livelli di potenza più bassi (fino a circa 1-5 W), negli ultimi anni sono maturate altre tecnologie che si sono diffuse nell'uso, soprattutto agli alti livelli di potenza, in cui l'efficienza è fondamentale sia per la durata della batteria che per la dissipazione termica. I PA che utilizzano nitruro di gallio (GaN) offrono la migliore efficienza ai più alti livelli di potenza e alle frequenze più elevate (in genere superiori a 1 GHz), dove sono necessari parecchi watt o più. I PA GaN hanno un costo competitivo, specie se si tiene conto dell'efficienza e della dissipazione di potenza.

CGHV14800F di Wolfspeed, un dispositivo da 1200 a 1400 MHz, 800 W, è rappresentativo di alcuni dei PA più recenti a base di GaN. Questa combinazione di efficienza, guadagno e larghezza di banda del PA HEMT è ottimizzata per gli amplificatori radar in banda L a impulsi, il che permette ai progettisti di trovare diversi usi in applicazioni come i sistemi di controllo del traffico aereo (ATC), meteorologici, antimissili e di inseguimento dei bersagli. Usando un'alimentazione a 50 V, offre un'efficienza drain tipica del 50% e più e ha un contenitore ceramico di 10 × 20 mm con flange metalliche per il raffreddamento (Figura 7).

Figura 7: Il contenitore ceramico di 10 × 20 mm con flange metalliche del PA GaN CGHV14800F da 1200 a 1400 MHz, 800 W, deve soddisfare contemporaneamente difficili requisiti RF e di dissipazione. Notare le flange di montaggio per avvitare – non saldare – il contenitore al circuito stampato per dare integrità termica e meccanica. (Immagine per gentile concessione di Wolfspeed)

CGHV14800F opera da un'alimentazione a 50 V, con un guadagno di potenza tipico d 14 dB e un'efficienza drain >65%. Come per gli LNA, i circuiti di valutazione e i progetti di riferimento svolgono un ruolo essenziale (Figura 8).

Figura 8: Il circuito dimostrativo fornito per il PA CGHV14800F richiede pochissimi componenti, oltre al dispositivo stesso, ma il layout fisico e le considerazioni termiche svolgono un ruolo cruciale; il PA viene tenuto fissato alla scheda per mezzo di viti e dadi (sul fondo, non visibile) con flange funzionali sia all'integrità di montaggio che agli obiettivi termici. (Immagine per gentile concessione di Wolfspeed)

Altrettanto importante, fra le numerose tabelle delle specifiche e curve delle prestazioni, è la curva di declassamento per la dissipazione di potenza (Figura 9). Indica l'uscita di potenza disponibile rispetto alla temperatura della custodia e indica che la potenza massima consentita è costante fino a 115 °C, dopo di che scende linearmente fino al suo valore massimo a 150 °C.

Figura 9: Dato il suo ruolo nell'erogazione della potenza, la curva di declassamento di un PA serve per mostrare ai progettisti la riduzione della potenza di uscita consentita via via che la temperatura della custodia aumenta. Qui, la potenza nominale scende rapidamente dopo 115 °C. (Immagine per gentile concessione di Wolfspeed)

MACOM offre anche PA basati su GaN, come il transistor GaN NPT1007 (Figura 10). Il suo intervallo di frequenza da c.c. a 1200 MHz lo rende idoneo per applicazioni RF sia in banda larga che stretta. Opera in genere da una singola fonte di alimentazione tra 14 e 28 V, con un guadagno di piccolo segnale di 18 dB a 900 MHz. È progettato per tollerare una discrepanza ROS (rapporto di onda stazionaria) di 10:1 senza deterioramento del dispositivo.

Figura 10: Il PA GaN NPT1007 di MACOM abbraccia l'intervallo da c.c. a 1200 MHz, il che lo rende idoneo per applicazioni RF sia in banda larga che stretta. I progettisti ricevono un ulteriore supporto da un'ampia serie di grafici di load-pull. (Immagine per gentile concessione di MACOM)

Oltre ai grafici che mostrano i dati basilari delle prestazioni a 500, 900 e 1200 MHz, NPT1007 è supportato da numerosi grafici di "load-pull" per aiutare i progettisti di sistemi e di circuiti a realizzare un prodotto robusto (Figura 11). I test di load-pull vengono condotti usando una sorgente di segnali accoppiati e un analizzatore di segnali (analizzatore dello spettro, contatore o ricevitore vettore).

Il test richiede che si vari l'impedenza come vista dal dispositivo sotto test (DUT) per valutare le prestazioni del PA (considerando fattori quali la potenza di uscita, il guadagno e l'efficienza) dato che qualsiasi valore associato dei componenti può cambiare a causa di variazioni della temperatura, o conseguentemente a variazioni entro le bande di tolleranza attorno ai loro valori nominali.

Figura 11: Il grafico load-pull per il PA NPT1007 va oltre la tabella standard delle specifiche min/max/tipiche per mostrare le prestazioni del PA quando la sua impedenza di carico si allontana dal suo valore nominale. Questa situazione si verifica nell'uso effettivo a causa delle tolleranze di produzione iniziale e della deriva termica. (Immagine per gentile concessione di MACOM)

A prescindere dal processo PA usato, l'impedenza di uscita del dispositivo deve anche essere completamente caratterizzata dal fornitore, quindi il progettista può abbinarlo correttamente all'antenna per il trasferimento di potenza massima e per mantenere il ROS (rapporto di onda stazionaria) il più vicino possibile all'unità. Questo circuito di accoppiamento è costituito principalmente da condensatori e induttori, che possono essere implementati come dispositivi discreti oppure fabbricati come parte del circuito stampato o anche del contenitore del prodotto. Devono essere progettati anche per sostenere i livelli di potenza del PA. Anche in questo caso, strumenti come la rinomata carta di Smith sono essenziali per comprendere e implementare l'adattamento di impedenza richiesto.

A causa delle dimensioni ridotte del die del PA e dei livelli elevati di potenza, anche il contenitore è un problema critico. Come mostrato in precedenza, molti PA supportano la dissipazione di calore tramite conduttori e flange del contenitore di grandi dimensioni, oltre al nucleo mobile termico sotto il contenitore che funge da percorso verso il rame del circuito stampato. A livelli di potenza più alti (sopra circa 5-10 W) il PA può avere un innesto in rame per permettere di montare il dissipatore di calore sulla parte superiore e possono essere necessarie ventole o le altre tecniche di raffreddamento avanzate.

La potenza nominale e le piccole dimensioni associate ai PA GaN rendono difficile modellare l'ambiente termico. Ovviamente, non è sufficiente mantenere il PA entro i valori nominali della temperatura di giunzione o della custodia consentiti. Il calore che viene rimosso dal PA non deve diventare un problema per altre parti del circuito e del sistema. Occorre prendere in considerazione e risolvere l'intero percorso termico.

Conclusione

I sistemi basati su RF, dagli smartphone ai terminali VSAT fino ai sistemi radar a schiera di fase, stanno spingendo verso nuovi limiti le prestazioni di LNA e PA. I produttori dei dispositivi si sono visti pertanto costretti ad andare oltre il silicio ed esplorare GaAs e GaN per fornire le prestazioni richieste.

Queste nuove tecnologie di processo stanno offrendo ai progettisti la possibilità di realizzare dispositivi con larghezze di banda più ampie, ingombri ridotti e maggiore efficienza. Tuttavia, i progettisti devono capire i principi base del funzionamento di LNA e PA per applicare queste nuove tecnologie in modo efficiente.