Pienikohinaisten vahvistimien ja tehovahvistimien perusteiden ymmärtäminen langattomissa ratkaisuissa

Paremman suorituskyvyn, miniatyrisoinnin ja korkeampien käyttötaajuuksien vaatimus asettaa uusia haasteita langattoman järjestelmän kahdelle antenniin liittyvälle kriittiselle komponentille: tehovahvistimelle (PA) ja pienikohinaiselle vahvistimelle (LNA). Tätä suuntausta ovat vauhdittaneet pyrkimykset mahdollistaa 5G-teknologia sekä tehovahvistimen ja pienikohinaisen vahvistimen käyttö VSAT-päätelaitteissa, mikroaaltoradiolinkeissä ja vaiheistetuissa tutkajärjestelmissä.

Näiden sovellusten vaatimuksiin kuuluvat alhaisempi kohinataso (LNA) ja parempi hyötysuhde (PA) sekä toiminta korkeammilla, jopa 10 GHz:n taajuuksilla ja siitä ylöspäin. Vastatakseen näihin kasvaviin vaatimuksiin tehovahvistimien ja pienikohinaisten vahvistimien valmistajat ovat siirtymässä perinteisistä pelkästään piipohjaisista prosesseista galliumarsenidiin (GaAs) pienikohinaisissa vahvistimissa ja galliumnitridiin (GaN) tehovahvistimissa.

Tässä artikkelissa kerrotaan pienikohinaisten vahvistimien ja tehovahvistimien roolista ja niihin kohdistuvista vaatimuksista sekä niiden tärkeimmistä ominaisuuksista. Tämän jälkeen siinä esitellään tyypillisiä galliumarsenidi- ja galliumnitridikomponentteja ja selitetään, mitä täytyy ottaa huomioon käytettäessä niitä suunnittelussa.

Pienikohinaisten vahvistimien herkkä rooli

Pienikohinaisen vahvistimen tehtävänä on vastaanottaa antennista tuleva erittäin heikko ja epäselvä signaali, joka on yleensä mikrovolttien luokkaa tai alle -100 dBm, ja vahvistaa se käyttökelpoisemmalle tasolle, yleensä noin puolesta voltista yhteen volttiin (kuva 1). Tämän havainnollistamiseksi 50 Ω:n järjestelmässä 10 μV on -87 dBm ja 100 μV on -67 dBm.

Vaikka tämän vahvistuksen tuottaminen ei sinänsä ole suuri haaste modernille elektroniikalle, sitä heikentää vakavasti kohina, jota LNA voi lisätä heikkoon tulosignaaliin. Tämä kohina voi peittää alleen kaikki pienikohinaisen vahvistimen tarjoaman vahvistuksen hyödyt.

Kuva 1: Vastaanottopolun pienikohinainen vahvistin (LNA) ja lähetyspolun tehovahvistin (PA) yhdistetään antenniin duplekserin kautta, joka erottaa nämä kaksi signaalia toisistaan ja estää tehovahvistimen suhteellisen voimakasta lähtöä ylikuormittamasta pienikohinaisen vahvistimen herkkää tuloa. (Kuvan lähde: DigiKey)

Huomaa, että LNA toimii tuntemattomien tekijöiden maailmassa. Vastaanottokanavan etuasteena sen on mitattava ja vahvistettava antennilta halutulla kaistanleveydellä vastaanotettu erittäin pienitehoinen ja -jännitteinen signaali sekä siihen liittyvä satunnaiskohina. Signaaliteoriassa tätä kutsutaan tuntemattoman signaalin ja tuntemattoman kohinan haasteeksi, joka on kaikista signaalinkäsittelyn haasteista vaikein.

Pienikohinaisen vahvistimen tärkeimmät parametrit ovat kohinaluku (NF), vahvistus ja lineaarisuus. Kohina johtuu lämmöstä ja muista lähteistä, ja tyypilliset kohinaluvut sijoittuvat alueelle 0,5–1,5 dB Yhden vaiheen tyypillinen vahvistus on 10–20 dB. Joissakin malleissa käytetään peräkkäisiä vahvistusasteita, joista ensimmäinen tarjoaa pienen vahvistuksen ja matalan kohinaluvun. Sitä seuraa korkeamman vahvistuksen aste, jolla voi olla korkeampi kohinaluku, mutta tämä on vähemmän kriittistä, koska alkuperäinen signaali on jo saatu vahvistettua tietylle tasolle. (Lue lisää pienikohinaisista vahvistimista, kohinasta ja RF-vastaanottimista TechZonen artikkelista ”Low-Noise Amplifiers Maximize Receiver Sensitivity” (Pienikohinaiset vahvistimet maksimoivat vastaanottoherkkyyden)).

Epälineaarisuus on toinen ongelma pienikohinaisille vahvistimille, sillä sen aiheuttamat harmoniset monikerrat ja keskinäismodulaatiovääristymät lisäävät virheitä vastaanotettuun signaaliin ja vaikeuttavat sen demodulointia ja dekoodausta riittävän alhaisella bittivirhesuhteella (BER). Lineaarisuutta kuvataan yleensä kolmannen kertaluvun leikkauspisteellä (IP3), joka yhdistää kolmannen kertaluvun epälineaarisen termin aiheuttamat epälineaariset muutokset lineaarisesti vahvistettuun signaaliin. Mitä korkeampi IP3-arvo on, sitä lineaarisempi on vahvistimen suorituskyky.

Pienikohinaisen vahvistimen virrankulutus ja hyötysuhde eivät yleensä ole ensisijaisia huolenaiheita. Useimmat pienikohinaiset vahvistimet ovat luonteeltaan melko vähävirtaisia komponentteja, joiden virrankulutus on 10–100 mA, ja ne tuottavat seuraaville vaiheille vain jännitevahvistuksen, mutta eivät syötä virtaa kuormaan. Lisäksi järjestelmään kuuluu vain yksi tai kaksi LNA-kanavaa (jälkimmäinen yleensä käytettäessä diversiteettiantennia, kuten Wi-Fi- ja 5G-rajapinnoissa), joten pienitehoisemman pienikohinaisen vahvistimen käytöllä saatavat säästöt olisivat vaatimattomia.

Pienikohinaiset vahvistimet ovat toiminnallisesti suhteellisen samankaltaisia toimintataajuutta ja kaistanleveyttä lukuun ottamatta. Eräät pienikohinaiset vahvistimet tarjoavat myös vahvistuksen säädön, jotta vahvistin voi käsitellä tulosignaalien laajaa dynaamista aluetta ilman ylikuormitusta ja kyllästymistä. Tällainen laajalti vaihteleva tulosignaalin voimakkuus on yleinen ilmiö mobiilisovelluksissa, joissa tukiaseman ja puhelimen välinen polun vaimennus voi vaihdella laajalla alueella jopa yhden ainoan yhteysjakson aikana.

Tulosignaalien reititys pienikohinaiseen vahvistimeen ja siitä lähtevien lähtösignaalien reititys on yhtä tärkeää kuin itse osan tekniset tiedot. Siksi suunnittelijoiden täytyy käyttää sofistikoituneita mallinnus- ja layouttyökaluja, jotta pienikohinaisen vahvistimen täysi suorituskykypotentiaali voitaisiin hyödyntää. Hyvänkin osan suorituskyky heikkenee helposti huonolla layoutilla tai impedanssisovituksella. Sen vuoksi simulointi- ja analysointiohjelmiston kanssa on tärkeää käyttää valmistajan toimittamia Smithin diagrammeja (katso ”The Smith Chart: An 'Ancient' Graphical Tool Still Vital In RF Design” (Smithin diagrammi: Vanha graafinen työkalu, joka on yhä elintärkeä RF-suunnittelussa)) sekä luotettavia piirimalleja.

Näistä syistä lähes kaikki GHz-alueella käytettävien korkeatehoisten pienikohinaisten vahvistimien toimittajat tarjoavat arviointialustan tai verifioidun piirilevylayoutin, koska testausjärjestelyn kaikki tekijät ovat kriittisiä, mukaan lukien layout, liittimet, maadoitus, ohitus ja virransyöttö. Ilman näitä resursseja suunnittelijat hukkaavat aikaa yrittäessään arvioida osan suorituskykyä omassa sovelluksessaan.

Esimerkki GaAs-pohjaisesta pienikohinaisesta vahvistimesta on Analog Devices HMC519LC4TR, joka on 18–31 GHz:n alueella toimiva pHEMT (pseudomorphic High Electron Mobility Transistor) -komponentti (kuva 2). Tämä lyijytön 4 × 4 mm:n keraaminen pintaliitoskotelo tarjoaa 14 dB:n piensignaalivahvistuksen sekä alhaisen kohinaluvun 3,5 dB ja korkean IP3-arvon +23 dBm. Se kuluttaa 75 mA yksipuolisesta +3 V:n virtalähteestä.

Kuva 2: GaAs-LNA HMC519LC4TR tarjoaa pienikohinaisen vahvistuksen matalatasoisille tuloille 18–31 GHz:n taajuusalueella. Suurin osa kotelon liitännöistä on tarkoitettu jännitetasoille, maadoitukselle tai niitä ei käytetä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Komponentin toimilohkokaavio on yksinkertainen, mutta käytännössä käytännön toteutuksessa tarvitaan useita ulkoisia eriarvoisia ja erityyppisiä kondensaattoreita. Näin saadaan luotua sopiva RF-tasaus alhaisilla loisarvoilla kolmen jännitetason V_dd syötölle (kuva 3).

Kuva 3: HMC519LC4TR LNA vaatii käytännön toteutuksessa useita ohituskondensaattoreita virtatasoja varten. Niillä kaikilla on sama jänniteluokitus, jotta voidaan tarjota sekä bulkkikapasitanssia matalien taajuuksien suodatukseen että pienempiarvoisia kondensaattoreita RF-ohitukseen RF-loisarvojen minimoimiseksi. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tätä parannettua kaaviota seuraa arviointialusta, joka näyttää yksityiskohtaiset tiedot sekä layoutista että BOM-osaluettelosta, mukaan lukien ei-FR4-piirilevymateriaalien käytöstä (kuvat 4(a) ja 4(b)).

Kuva 4(a)

Kuva 4(b)

Kuva 4: Kun ajatellaan kuinka korkeilla taajuuksilla nämä LNA-etuasteet toimivat ja kuinka matalatasoisia signaaleita niiden täytyy käsitellä, yksityiskohtainen ja testattu evaluointimalli on olennaisen tärkeä. Se sisältää piirikaavion (ei kuvassa), piirilevyn layoutin (a) ja BOM-osaluettelon, jossa on määritetty passiivikomponentit ja piirilevymateriaali (b). (Kuvan lähde: Analog Devices)

Vielä korkeammille taajuuksille tarkoitettu GaAs-LNA on MACOM MAAL-011111, joka tukee taajuusaluetta 22–38 GHz (kuva 5). Se tarjoaa piensignaalivahvistuksen 19 dB ja kohinaluvun 2,5 dB. Tämä LNA vaikuttaa yksiasteiselta komponentilta, mutta se kätkee sisäänsä todellisuudessa kolme peräkkäistä astetta. Ensimmäinen aste on optimoitu kohinan minimointiin ja kohtuulliselle vahvistukselle, kun taas seuraavat asteet tarjoavat lisävahvistusta.

Kuva 5: Käyttäjän silmin MAAL-011111 LNA vaikuttaa yksiasteiselta, mutta sen sisään on kätketty sarja vahvistusasteita, joita käytetään signaalikohinasuhteen (SNR) maksimointiin signaalipolulla tulosta ja lähtöön. Se lisää samalla merkittävästi lähdön vahvistusta. (Kuvan lähde: MACOM)

Samoin kuin Analog Devices LNA, myös MAAL-011111 tarvitsee vain yksipuolisen pienjännitteisen virtalähteen. Se on myös kooltaan hyvin pieni, vain 3 × 3 mm. Käyttäjä voi säätää ja vaihtaa joitakin suorituskykyspesifikaatioita asettamalla esijännitteen (syöttöjännitteen) eri arvoihin alueella 3,0 V – 3,6 V. Ehdotettu piirilevylayout näyttää piirilevyn kriittiset kuparimitat, jotka tarvitaan sopivan impedanssisovituksen ja maatason suorituskyvyn mahdollistamiseen (kuva 6).

Kuva 6: Ehdotettu layout, joka takaa MACOM MAAL-01111111 LNA:n optimaalisen käytön ja samalla tulo- ja lähtöimpedanssin sovituksen. Huomaa piirilevykuparin käyttö impedanssiohjattuja siirtojohtoja sekä matalaimpedanssisia maatasoja varten (mitat millimetreinä). (Kuvan lähde: MACOM)

PA ohjaa antennia

Toisin kuin LNA, jolla on hankala signaalinmittaushaaste, PA vastaanottaa piiristä suhteellisen voimakkaan signaalin, jolla on erittäin korkea signaalikohinasuhde (SNR), ja sen tehtävänä on lisätä signaalin tehoa. Kaikki signaalin yleiset tekijät, kuten amplitudi, modulaatio, muoto, käyttöjakso jne. ovat tunnettuja. Tämä on signaalinkäsittelykartalla tunnetun signaalin ja tunnetun kohinan neljännes, joka on helpoin hallita.

Tehovahvistimen ensisijainen parametri on sen lähtöteho halutulla taajuudella, ja tehovahvistimen tyypillinen vahvistus sijoittuu alueelle +10...+30 dB. Vahvistuksen ohella hyötysuhde on toinen kriittinen PA-parametri, mutta hyötysuhteen arviointia vaikeuttavat käyttömalli, modulaatio, käyttöjakso, sallittu vääristymä ja muut vahvistettavaan signaaliin liittyvät tekijät. PA-hyötysuhde on 30–80 prosentin alueella, mutta tämä riippuu hyvin paljon monista tekijöistä. Tehovahvistimen lineaarisuus, joka on myös kriittinen ominaisuus, arvioidaan kolmannen kertaluvun leikkauspisteen (IP3) perusteella, aivan kuten pienikohinaisissa vahvistimissakin.

Vaikka monet tehovahvistimet käyttävät CMOS-tekniikkaa alhaisemmilla tehotasoilla (noin 1–5 W), myös muut tekniikat ovat kehittyneet viime vuosina. Niitä käytetään laajalti erityisesti korkeammilla tehotasoilla, joilla hyötysuhde on kriittinen sekä akun käyttöiän että termisten tekijöiden kannalta. Galliumnitridiä käyttävät tehovahvistimet tarjoavat paremman hyötysuhteen korkeammilla tehotasoilla ja taajuuksilla (tyypillisesti yli 1 GHz), joilla tarvitaan useita watteja tai enemmän. GaN-tehovahvistimet ovat hinnaltaan kilpailukykyisiä, varsinkin jos hyötysuhde ja tehohäviö lasketaan mukaan.

Wolfspeedin CGHV14800F, 1200–1400 MHz:n ja 800 W:n komponentti, kuuluu uusimpiin GaN-tehovahvistimiin. Tämän HEMT-tehovahvistimen hyötysuhteen, vahvistuksen ja kaistanleveyden yhdistelmä on optimoitu pulssitoimisia L-kaistan tutkavahvistimia varten. Tämän ansiosta suunnittelijat voivat löytää sille paljon käyttökohteita esimerkiksi lennonvalvonta- (ATC), sää-, ohjustorjunta- ja kohteenseurantajärjestelmissä. Se käyttää 50 V:n syöttöjännitettä ja tarjoaa tyypillisesti vähintään 50 prosentin nieluhyötysuhteen. Tämä komponentti toimitetaan 10 × 20 mm:n keraamisessa kotelossa, johon kuuluu jäähdytykseen tarkoitetut metallilaipat (kuva 7).

Kuva 7: 10 × 20 mm:n keraamisessa metallilaipoilla varustetussa kotelossa toimitettavan 1200–1400 MHz:n ja 800 W:n GaN-tehovahvistimen CGHV14800F tulee täyttää samanaikaisesti hankalat RF- ja häviövaatimukset. Huomaa kiinnityslaipat, joilla kotelo ruuvataan – ei juoteta – kiinni piirilevyyn mekaanisen ja termisen eheyden takaamiseksi. (Kuvan lähde: Wolfspeed)

CGHV14800F-tehovahvistin toimii 50 V:n jännitteellä ja tarjoaa tyypillisesti 14 dB:n tehovahvistuksen > 65 prosentin nieluhyötysuhteella. Pienikohinaisten vahvistimien tapaan evaluointipiirit ja referenssisuunnitelmat ovat ehdottoman välttämättömiä (kuva 8).

Kuva 8: CGHV14800F-tehovahvistimelle tarkoitettu esittelypiiri vaatii hyvin vähän komponentteja itse laitteen lisäksi, mutta fyysinen layout ja termiset tekijät ovat kriittisiä. PA kiinnitetään piirilevyyn ruuveilla ja muttereilla (alhaalla, ei näkyvissä) kotelon laippojen läpi. Laipat sekä kiinnittävät komponentin että jäähdyttävät sitä. (Kuvan lähde: Wolfspeed)

Lukuisien spesifikaatiotaulukoiden ja suorituskykykuvaajien ohella myös tehohäviön tehonalennuskäyrä on yhtä tärkeä (kuva 9). Se näyttää käytettävissä olevan lähtöteholuokituksen kotelon lämpötilan funktiona ja ilmaisee, että suurin sallittu teho on vakio lämpötilaan 115 ⁰C asti ja että teho laskee sen jälkeen lineaarisesti enimmäislämpötilaan 150 ⁰C saakka.

Kuva 9: Koska tehovahvistimen tehtävänä on tuottaa tehoa, sen tehonalennuskäyrää tarvitaan osoittamaan suunnittelijoille sallitun lähtötehon aleneminen kotelon lämpötilan noustessa. Tässä teholuokitus laskee nopeasti lämpötilan 115 °C jälkeen. (Kuvan lähde: Wolfspeed)

MACOMin valikoimaan kuuluu myös GaN-tehovahvistimia, kuten GaN-transistori NPT1007 (kuva 10). Se soveltuu taajuusalueensa DC–1200 MHz ansiosta sekä laaja- että kapeakaistaisiin RF-sovelluksiin. Sitä käytetään tyypillisesti yksipuolisella syöttöjännitteellä 14–28 V:n jännitealueella ja tarjoaa piensignaalivahvistuksen 18 dB taajuudella 900 MHz. Se on suunniteltu kestämään SWR (Standing Wave Ratio) -virhesuhdetta 10:1 komponentin heikentymättä.

Kuva 10: MACOM GaN-PA NPT1007 kattaa alueen DC–1200 MHz, joten se soveltuu sekä laaja- että kapeakaistaisiin RF-sovelluksiin. Suunnittelijat saavat lisätukea erilaisten load-pull-kuvaajien avulla. (Kuvan lähde: MACOM)

Perussuorituskykyä taajuuksilla 500, 900 ja 1200 MHz esittelevien kuvaajien lisäksi NPT1007 tarjoaa erilaisia ”load-pull”-kaavioita. Ne auttavat piiri- ja järjestelmäsuunnittelijoita varmistamaan tuotteen robustisuuden (kuva 11). Load-pull-testit tehdään käyttämällä yhdistettyä signaalilähdettä ja signaalianalysaattoria (spektrianalysaattori, tehomittari tai vektorivastaanotin).

Testi vaatii testattavan laitteen (DUT) näkemän impedanssin vaihtelua, jotta tehovahvistimen suorituskyky (kattaen sellaiset tekijät kuten lähtöteho, vahvistus ja hyötysuhde) voidaan arvioida. Kaikki tehovahvistimeen liittyvät komponenttiarvot voivat nimittäin muuttua lämpötilamuutosten vuoksi tai komponenttien todellisten arvojen varioinnin seurauksena nimellisarvoja ympäröivien toleranssivyöhykkeiden sisällä.

Kuva 11: NPT1007-tehovahvistimen load-pull-kuvaaja näyttää enemmän tietoja kuin ”min./maks./tyypillinen”-spesifikaatioiden perustaulukko. Se näyttää tehovahvistimen suorituskyvyn kun sen kuormaimpedanssi siirtyy pois nimellisarvostaan. Tällaisia tilanteita ilmenee käytännössä alkuperäisten tuotantotoleranssien ja lämpösiirtymän vuoksi. (Kuvan lähde: MACOM)

Laitteen valmistajan on karakterisoitava komponentin lähtöimpedanssi käytettävästä PA-prosessista riippumatta, jotta suunnittelija voi sovittaa impedanssin oikein antennin kanssa mahdollisimman korkeaa tehonsiirtoa varten ja SWR (Standing Wave Ratio) -arvon pitämiseksi mahdollisimman lähellä yhtä. Tämä sovituspiiri koostuu pääasiassa kondensaattoreista ja induktiokeloista, jotka voidaan toteuttaa erilliskomponentteina tai vaihtoehtoisesti integroida piirilevyyn tai jopa tuotekoteloon. Ne täytyy myös mitoittaa kestämään PA-tehotasot. Smithin diagrammin kaltaisten työkalujen käyttö on jälleen kerran välttämätöntä, jotta vaadittu impedanssisovitus voidaan ymmärtää ja toteuttaa.

Kotelo on kriittinen tekijä tehovahvistimen pienen sirukoon ja korkeiden tehotasojen vuoksi. Kuten edellä on esitetty, monet tehovahvistimet käyttävät jäähdytykseen leveitä, lämpöä luovuttavia kotelojohtimia ja -laippoja sekä kotelon alla olevaa lämpölevyä, joka muodostaa lämmölle reitin piirilevyn kupariin. Korkeammilla tehotasoilla (yli 5–10 W) tehovahvistimeen voi kuulua kuparitaso, jonka päälle jäähdytyselementti voidaan asentaa. Lisäksi saatetaan tarvita tuulettimia tai muita edistyneitä jäähdytystekniikoita.

Lämpöympäristön mallintaminen on ratkaisevan tärkeää GaN-tehovahvistimien teholuokitusten ja pienen koon vuoksi. Itse tehovahvistimen pitäminen sallittujen kotelo- tai rajapintalämpötilaluokitusten rajoissa ei luonnollisestikaan riitä. Tehovahvistimesta poisjohdettava lämpö ei saa aiheuttaa ongelmia piirin ja järjestelmän muille osille. Siksi koko lämpöreitti on otettava huomioon ja suunniteltava sen mukaisesti.

Yhteenveto

RF-pohjaiset järjestelmät älypuhelimista VSAT-päätelaitteisiin ja vaiheistettuihin tutkajärjestelmiin koettelevat pienikohinaisen vahvistimen ja tehovahvistimen suorituskyvyn rajoja. Tämä on saanut laitevalmistajat siirtymään piistä eteenpäin ja tutkimaan galliumarsenidia ja galliumnitridiä vaaditun suorituskyvyn saavuttamiseksi.

Nämä uudet prosessiteknologiat tarjoavat suunnittelijoille komponentteja, joilla on laajemmat kaistanleveydet, pienempi koko ja parempi hyötysuhde. Suunnittelijoiden täytyy kuitenkin perehtyä pienikohinaisen vahvistimen ja tehovahvistimen toiminnan perusteisiin, jotta he voivat soveltaa näitä uusia teknologioita tehokkaasti.