A kis zajú erősítők és teljesítményerősítők vezeték nélküli eszközökben való használatának alapjai

A teljesítmény, a miniatürizálás és a nagyobb frekvencián működés iránti törekvés komoly kihívást jelent a vezeték nélküli rendszerek két lényeges, az antennához kapcsolódó részegységére: a teljesítményerősítőre (PA, power amplifier) és a kis zajú erősítőre (LNA, low-noise amplifier) nézve. Ezt a változást többek közt az 5G megvalósítására irányuló erőfeszítések, valamint a teljesítményerősítők és a kis zajú erősítők VSAT-terminálokban, mikrohullámú rádiókapcsolatokban és fázisvezérelt radarrendszerekben történő használata ösztönözték.

Ezeknek a berendezéseknek a követelményei között szerepel az alacsonyabb zajszint (a kis zajú erősítők esetében) és a jobb hatásfok (a teljesítményerősítők esetében), valamint a nagyobb frekvenciákon való működés, 10 GHz-ig és azon túl is. A növekvő igények kielégítése érdekében a kis zajú erősítők és a teljesítményerősítők gyártói a hagyományos, teljesen szilíciumból készült termékek használata helyett a kis zajú erősítők esetében egyre inkább a gallium-arzenid (GaAs), a teljesítményerősítők esetében pedig a gallium-nitrid (GaN) használatára térnek át.

Ez a cikk ismerteti a kis zajú erősítők és a teljesítményerősítők szerepét és a rájuk vonatkozó követelményeket, valamint főbb jellemzőiket, majd bemutatja a tipikus GaAs- és GaN-eszközöket, és hogy mit kell szem előtt tartani a használatukkal történő tervezés során.

A kis zajú erősítők kényes szerepe

A kis zajú erősítők feladata, hogy az antennából érkező rendkívül gyenge és bizonytalan jelet, amely általában mikrovolt nagyságrendű vagy –100 dBm alatti, használhatóbb szintre, általában 0,5 V és 1 V közötti értékre erősítsék (1. ábra). Hogy segítsünk ezt képbe helyezni: egy 50 Ω impedanciájú rendszerben a 10 μV az –87 dBm, a 100 μV pedig –67 dBm nyereségnek felel meg.

Míg ennek az erősítésnek a korszerű elektronikával történő megvalósítása önmagában nem jelent nagy kihívást, a zaj, amelyet a kis zajú erősítő adhat a gyenge bemenőjelhez, komolyan veszélyezteheti a jelépséget. Ez a zaj semmissé teheti a kis zajú erősítő nyújtotta erősítés minden előnyét.

1. ábra: A vételi útvonal kis zajú erősítője (LNA) és az adásútvonal teljesítményerősítője (PA) egy duplexeren keresztül csatlakozik az antennához. A duplexer szétválasztja a két jelet, és megakadályozza, hogy a teljesítményerősítő viszonylag erős kimenőjele túlterhelje a kis zajú erősítő érzékeny bemenetét (ábra: DigiKey)

Jusson eszünkbe, hogy a kis zajú erősítő az ismeretlenek világában működik. A vételi csatorna bemeneti tagjaként egy nagyon kis teljesítményű, kis feszültségű jelet és a hozzá tartozó véletlenszerű zajt kell érzékelnie és felerősítenie, amelyet az antennáról kap a használt sávszélességen belül. A jelelméletben ezt ismeretlen jel és ismeretlen zaj jelentette kihívásnak nevezik, és a jelfeldolgozás jelentette összes kihívás közül ez a legkomolyabb.

A kis zajú erősítők legfontosabb paraméterei a zajszám (NF, noise figure), az erősítés és a linearitás. A zaj a hő- és egyéb forrásoknak köszönhető, a jellemző zajértékek a 0,5 dB és 1,5 dB közötti tartományban vannak. Egy erősítőfokozat jellegzetes erősítése 10 dB és 20 dB között van. Egyes eszközök többfokozatú erősítőket tartalmaznak, amelyekben egy kis erősítésű, kis zajszámú fokozatot egy nagyobb erősítésű fokozat követ, amely lehet nagyobb zajszámú, de ez kevésbé kritikus, ha a kezdeti jel már fel lett erősítve. (A kis zajú erősítőkről, a zajról és a rádióvevőkről bővebben lásd a TechZone Low-Noise Amplifiers Maximize Receiver Sensitivity (Kis zajú erősítőkkel maximálisra növelhető a vevők érzékenysége) című cikkét.)

A kis zajú erősítők esetében a másik probléma a nonlinearitás (nem lineáris jelleggörbe), mivel a keletkező felharmonikusok és intermodulációs torzítások rontják a vett jelet, és megnehezítik a kellően alacsony bithibaarányú (BER, bit error rate) demodulációt és dekódolást. A linearitást általában a harmadrendű torzítási metszésponttal (IP3, third-order intercept point) jellemzik, amely a harmadrendű nonlineáris kifejezés által előidézett nonlineáris eredményeket a lineárisan erősített jelhez viszonyítja. Minél magasabb az IP3 értéke, annál lineárisabb az erősítő jelleggörbéje.

A kis zajú erősítők fogyasztása és hatásfoka általában nem elsődleges szempont. Természeténél fogva a legtöbb kis zajú erősítő meglehetősen kis fogyasztású, áramfelvételük 10 mA és 100 mA között van, és a következő fokozatok számára szolgáltatnak feszültségerősítést, nem pedig terhelésre adnak le teljesítményt. Emellett a rendszerben általában csak egy vagy két kis zajú erősítőcsatorna van (utóbbi általában az elhalkulásmentes antennáknál, amilyenek például a wifi- és az 5G-illesztők), így a kis teljesítményű kis zajú erősítők használatával elérhető megtakarítás szerény lenne.

Működési frekvenciájukon és sávszélességükön kívül a kis zajú erősítők funkcióikat tekintve nagyrészt hasonlóak. Egyes kis zajú erősítők erősítésszabályozással is el vannak látva, így az erősítő a bemenőjelek széles dinamikatartományát tudja kezelni túlterhelés és telítődés nélkül. Az ilyen nagymértékben változó bemenőjel-erősség gyakori jelenség a mobil eszközökben, ahol a bázisállomás és a telefon közötti útvonalveszteség széles tartományban változhat akár egyetlen kapcsolódási ciklus alatt is.

A bemenőjelek kis zajú erősítőbe történő bevezetése és a kimenőjelek elvezetése ugyanolyan fontos, mint magának az eszköznek a műszaki adatai, ezért a tervezőknek kifinomult modellező- és elrendezéstervező eszközöket kell használniuk a kis zajú erősítőkben rejlő teljesítmény teljes kihasználásához. Egy kiváló alkatrészt könnyen leronthat a rossz áramkörilap-elrendezés vagy a hibás impedanciaillesztés, ezért nagyon fontos a gyártó által megadott Smith-diagramoknak (lásd: The Smith Chart: An 'Ancient' Graphical Tool Still Vital In RF Design (A Smith-diagram: a rádiófrekvenciás tervezés „ősi”, de a mai napig létfontosságú grafikus eszköze), valamint az áramkör szimulációs és elemzőszoftverek használatát segítő hiteles modelljeinek a használata.

Ezen okok miatt a gigahertzes (GHz) tartományban működő nagy teljesítményű kis zajú erősítők szinte minden gyártója kínál valamilyen fejlesztőkártyát vagy ellenőrzött nyomtatottáramkörilap-elrendezést, mivel a tesztelési összeállítás minden szempontja kritikus, beleértve az elrendezést, a csatlakozókat, a testelést, az áthidalásokat és az áramellátást is. Ezen eszközök nélkül a tervezőknek időt kell pazarolniuk arra, hogy megpróbálják kiértékelni a kis zajú erősítő teljesítményét az általuk tervezett készülékben.

A GaAs-alapú kis zajú erősítőkre egy példa a HMC519LC4TR, az Analog Devices 18–31 GHz között használható pHEMT tranzisztoros (pseudomorphic high-electron-mobility transistor, pszeudomorfikus nagy elektronmozgékonyságú tranzisztor) eszköze (2. ábra). Ez a láb nélküli, 4 mm × 4 mm-es, kerámiatokos, felületszerelt eszköz 14 dB-es kis jelű erősítést kínál kis, 3,5 dB-es zajszám és nagy, +23 dBm-es IP3 érték mellett. Egyetlen +3 V-os áramforrásból 75 mA-t vesz fel.

2. ábra: A HMC519LC4TR kis zajú GaAs erősítő 18 GHz és 31 GHz közötti frekvenciájú, kis jelszintű bemenőjelekhez kínál kis zajú erősítést. A tok érintkezőinek többsége a tápsínek (Vdd) vagy a test (GND – ground) csatlakoztatására szolgál, vagy nincs bekötve (N/C – not connected) (ábra: Analog Devices)

A funkciókat mutató egyszerű blokkvázlatnál szemléletesebb a több különböző értékű és típusú külső kondenzátort mutató kapcsolási rajz. Ezekre a külső kondenzátorokra azért van szükség, hogy a három V_dd jelű tápsínről kapott áramellátás esetében kellőképpen ki lehessen zárni a kis értékű parazitakapacitások következtében fellépő rádiófrekvenciás jelek zavaró hatását (3. ábra).

3. ábra: Egy valós kapcsolásban a HMC519LC4TR kis zajú erősítő esetében megkerülőkondenzátorokat kell használni a több – azonos feszültségű – tápsínhez a kisfrekvenciás szűréshez szükséges nagy kapacitás megteremtéséhez, valamint kisebb értékű kondenzátorokat a rádiófrekvenciás zavarokat okozó parazitakapacitások hatásának kivédéséhez (ábra: Analog Devices)

Ez a kiegészített kapcsolási rajz oda vezet, hogy szükség van egy fejlesztőkártyára, amely részletezi mind az elrendezést, mind az alkatrészigényt, beleértve a nem FR4 anyagú nyomtatott áramköri lapok használatát is (4(a). és 4(b). ábra).

4(a). ábra

4(b). ábra

4. ábra: Tekintettel a nagy frekvenciákra, amelyeken ezek a bemeneti fokozatként szolgáló kis zajú erősítők működnek, és a kis jelszintekre, amelyeket fogadnak, elengedhetetlen a minden részletre kiterjedő, ellenőrzött és kiértékelt tervezés. Ez magában foglalja a kapcsolási rajzot (nem szerepel az ábrán), a nyomtatott áramköri lapon való elrendezést (a) és az alkatrészlistát, amelynek tartalmaznia kell a passzív alkatrészek jellemzőit és a nyomtatott áramköri lap anyagát is (b) (ábra: Analog Devices)

Egy még nagyobb frekvenciákon használható kis zajú GaAs erősítő a MACOM MAAL-01111111, amely 22–38 GHz közötti használatra alkalmas (5. ábra). 19 dB-es kis jelű erősítést kínál, 2,5 dB-es zajszám mellett. Ez a kis zajú erősítő egyfokozatúnak tűnik, de belül valójában három egymás után kapcsolt (kaszkádolt) fokozatot tartalmaz. Az első fokozat a legkisebb zajra és mérsékelt erősítésre van optimalizálva, míg az azt követő fokozatok további erősítést kínálnak.

5. ábra: A felhasználó számára a MAAL-011111 kis zajú erősítő egyfokozatú erősítőnek tűnik, de belül több egymás után kapcsolt erősítőfokozatot tartalmaz, amelyek célja a lehető legnagyobb jel–zaj viszony megteremtése a be- és a kimenet közötti jelútvonalon, és egyúttal a jel jelentős felerősítése is, mire a kimenetre jut (ábra: MACOM)

Az Analog Devices kis zajú erősítőjéhez hasonlóan a MAAL-011111 is csak egyetlen kisfeszültségű áramellátást igényel, és mindössze 3 mm × 3 mm méretű. A felhasználó az előfeszítést (tápfeszültséget) 3,0 V és 3,6 V közötti különböző értékekre állítva beállíthat néhány teljesítményjellemzőt, és egyúttal köthet néhány kompromisszumot is. A nyomtatott áramköri lap javasolt kialakítása mutatja a megfelelő impedanciaillesztésnek és a testelőfelület teljesítményének fenntartásához szükséges kritikus nyomtatott áramköri lapi rézfelület-méreteket (6. ábra).

6. ábra: A nyomtatott áramköri lap javasolt kialakítása ahhoz, hogy a legtöbbet lehessen kihozni a MACOM MAAL-011111 erősítőből. Ez a kialakítás egyúttal a be- és kimeneti impedanciaillesztést is biztosítja. Figyelje meg a nyomtatott áramköri lap rézfelületének használatát a szabályozott impedanciájú átviteli vonalak, valamint a kis impedanciájú testelőfelületek kialakításához (a méretek milliméterben vannak megadva) (ábra: MACOM)

A teljesítményerősítő az antennát hajtja meg

A kis zajú erősítőkkel ellentétben, ahol a gyenge jelek fogadása jelent komoly kihívást, a teljesítményerősítő viszonylag erős és nagyon jó jel–zaj viszonyú jelet kap az áramkörből, és annak teljesítményét kell növelnie. A jel minden általános tényezője ismert, mint például az amplitúdó, a moduláció, a jelalak, a munkaciklus stb. Ez a jelfeldolgozási leképezésnek az ismert jel és ismert zaj alkotta része, és ezt a legkönnyebb kezelni.

A teljesítményerősítő elsődleges paramétere a kimenőteljesítménye a szükséges frekvencián, és a teljesítményerősítők jellemző erősítése +10 dB és +30 dB között mozog. Az erősítés mellett a hatásfok a teljesítményerősítő másik lényeges paramétere, de a hatásfok értékelését bonyolítja az erősítendő jel felhasználási módja, modulációja, munkaciklusa, megengedett torzítása és egyéb jellemzői. A teljesítményerősítők hatásfoka jellemzően 30–80% között van, de ez sok tényezőtől függ. A teljesítményerősítők linearitását, amely szintén fontos, a kis zajú erősítőkhöz hasonlóan a harmadrendű torzítási metszéspont (IP3) alapján ítélik meg.

Míg sok kisebb teljesítményű teljesítményerősítő (kb. 1–5 W-ig) CMOS technikát használ, az utóbbi években más műszaki megoldások is kiforrottá váltak és széles körben elterjedtek, különösen a nagyobb teljesítményszinteken, ahol a hatásfok lényeges úgy az akkumulátor (vagy szárazelem) élettartama, mint a hűtési szempontok miatt. A GaN félvezetőt használó teljesítményerősítők nagyobb teljesítményszinteken és nagyobb frekvenciákon (jellemzően 1 GHz fölött), ahol néhány wattos vagy még nagyobb teljesítményre van szükség, jobb hatásfokot kínálnak. A GaN teljesítményerősítők versenyképes költségűek, különösen ha a hatásfokot és a teljesítményveszteséget is figyelembe vesszük.

A Wolfspeed CGHV14800F, ez az 1200–1400 MHz között használható, 800 W-os eszköz a legújabb GaN-alapú teljesítményerősítők egyik képviselője. Ennek a HEMT teljesítményerősítőnek a hatásfok-, erősítés- és sávszélesség-kombinációja az impulzusüzemű L sávú radarerősítőkhöz van optimalizálva, így a tervezők számos készülékben tudják használni őket olyan felhasználási területeken, mint a légiforgalmi irányítás (ATC, air traffic control), a meteorológiai figyelőrendszerek, a rakétaelhárítás, valamint a célkövető rendszerek. Az 50 V-os tápfeszültséget használó eszköz jellemzően 50%-os vagy annál jobb átviteli hatásfokot kínál, és 10 mm × 20 mm-es kerámiatokban kerül forgalomba, a hűtés érdekében fémperemekkel (7. ábra).

7. ábra: A CGHV14800F 1200–1400 MHz között használható, 800 W-os GaN teljesítményerősítő 10 mm × 20 mm-es, fémperemekkel ellátott kerámiatokozásának egyszerre kell megfelelnie az egyaránt nagy kihívást jelentő rádiófrekvenciás és hűtési követelményeknek. Figyelje meg a rögzítőperemeket, amelyek segítségével a mechanikai stabilitás és a jobb hűtés érdekében a tokot a nyomtatott áramköri laphoz csavarozzák – azaz nem forrasztják (kép: Wolfspeed)

A CGHV14800F 50 V-os tápfeszültségről működik, és jellemzően 14 dB a teljesítményerősítése > 65%-os átviteli hatásfok mellett. A kis zajú erősítőkhöz hasonlóan a fejlesztőkártyák és a referenciatervek itt is elengedhetetlenek (8. ábra).

8. ábra: A CGHV14800F teljesítményerősítőhöz kínált bemutatókártya nagyon kevés alkatrészt igényel magán az eszközön kívül, de a fizikai elrendezés és a hűtési szempontok lényegesek. A teljesítményerősítőt a tok szilárd rögzítést és hűtési célokat is szolgáló peremein átmenő csavarok és anyák (alul, nem láthatóak) rögzítik a nyomtatott áramköri laphoz (kép: Wolfspeed)

Ugyanilyen fontos – a műszaki adatokat tartalmazó számos táblázat és jelleggörbe egyikeként – a teljesítménycsökkenési jelleggörbe is (9. ábra). Ez az elérhető kimenőteljesítményt mutatja a tokozás hőmérsékletének függvényében, és azt jelzi, hogy a megengedett legnagyobb teljesítmény 115 ⁰C-ig állandó, majd a 150 ⁰C-os legnagyobb névleges értékig lineárisan csökken.

9. ábra: A teljesítményerősítő teljesítménycsökkenési jelleggörbéjére azért van szükség, hogy a tervezőknek megmutassa, hogyan csökken a megengedett kimenőteljesítmény a tok hőmérsékletének növekedésével. Itt a teljesítmény 115 °C után meredeken csökken. (ábra: Wolfspeed)

A MACOM GaN-alapú teljesítményerősítőket is kínál, amilyen például az NPT1007 jelű, GaN-tranzisztoros eszköz (10. ábra). Az egyenáram és 1200 MHz közötti frekvenciatartománya alkalmassá teszi úgy széles sávú, mint keskeny sávú rádióberendezésekhez. Jellemzően egyetlen, 14 V és 28 V közötti tápfeszültségről működik, és 900 MHz-en 18 dB-es kis jelű erősítést kínál. Úgy tervezték, hogy akár 10:1 állóhullámarány-eltérést is elviseljen anélkül, hogy romlana a teljesítménye.

10. ábra: A MACOM NPT1007 GaN teljesítményerősítő az egyenáram és 1200 MHz közötti frekvenciatartományt ölel fel, ezért alkalmas úgy széles sávú, mint keskeny sávú rádióberendezésekhez. A tervezőknek további támogatást nyújtanak a különböző terhelésváltozási grafikonok (kép: MACOM)

Az NPT1007 erősítőhöz a teljesítmény alapját 500, 900 és 1200 MHz-en mutató grafikonok mellett számos terhelésváltozási grafikon tartozik, segítve az áramkör- és rendszertervezőket, akik strapabíró terméket szeretnének tervezni (11. ábra). A terhelésváltozási teszteket egymáshoz párosított jelforrás és jelanalizátor (spektrumanalizátor, teljesítménymérő vagy vektoros vevő) használatával végzik.

A vizsgálat során a vizsgált eszköz (DUT, device under test) által látott impedanciát kell változtatni, hogy értékelni lehessen a teljesítményerősítő teljesítményét (amely olyan tényezőket foglal magában, mint a kimenőteljesítmény, az erősítés és a hatásfok), mivel a hőmérséklet-eltolódás miatt vagy a névleges értékek körüli tűréshatárokon belüli eltérések eredményeként bármelyik kapcsolódó részegység értékei megváltozhatnak.

11. ábra: Az NPT1007 teljesítményerősítő terhelésváltozási grafikonja túlmutat a legkisebb/legnagyobb/jellemző terhelést ismertető szokványos táblázatokon, hogy megmutassa, hogyan változik a teljesítményerősítő teljesítménye, ha a terhelőimpedancia megváltozik a névleges értékhez képest. Ez egy olyan helyzet, amely a tényleges használat során a kezdeti gyártási tűrések szórása és a hőmérséklet-változás okozta munkapont-elvándorlás miatt elő szokott fordulni (ábra: MACOM)

Az eszköz kimenőimpedanciáját a gyártónak a használt teljesítményerősítési eljárástól függetlenül teljes mértékben jellemeznie kell, hogy a tervező a legnagyobb teljesítményátvitel érdekében megfelelően illeszthesse a teljesítményerősítőt az antennához, és hogy az állóhullámarány (SWR, standing wave ratio) értéke a lehető legközelebb legyen az 1-hez. Ezt az illesztőáramkört elsősorban kondenzátorok és induktivitások (tekercsek) alkotják. Ezek lehetnek diszkrét, illetve a nyomtatott áramköri lapon vagy akár a termék tokozásának részeként kialakított eszközök. Úgy kell őket megtervezni, hogy elviseljék a teljesítményerősítő teljesítményszintjeit. A szükséges impedanciaillesztés megértéséhez és megvalósításához ismét elengedhetetlen az olyan eszközök használata, mint a Smith-diagram.

A teljesítményerősítő kis lapkamérete és nagy teljesítménye miatt lényeges szempont a tokozás. Amint azt korábban bemutattuk, sok teljesítményerősítő a tok széles hőleadó lábai és peremei, valamint a tok alsó részén kialakított, a nyomtatott áramköri lap rézfelületéhez kapcsolódó hővezető felületek segítségével segíti a hűtést. Nagyobb teljesítményszinteknél (kb. 5–10 W felett) a teljesítményerősítő el lehet látva rézsapkával, hogy hűtőbordát lehessen a tetejére szerelni, és ventilátorokra vagy más fejlett hűtési megoldásokra is szükség lehet.

A GaN teljesítményerősítők teljesítménye és kis mérete miatt nagyon fontos a termikus környezet modellezése. Természetesen nem elég, ha magát a teljesítményerősítőt a megengedett tok- vagy határfelületi hőmérsékleten belül tartjuk. A teljesítményerősítőből elvezetett hő nem okozhat gondot az áramkör és a rendszer más részeinek. A teljes hőelvezetési útvonallal foglalkozni kell, és meg kell oldani a kellő mértékű hűtést.

Összegzés

A rádiófrekvenciás rendszerek – az okostelefonoktól kezdve a VSAT-terminálokon át a fázisvezérelt radarrendszerekig – a kis zajú erősítők és a teljesítményerősítők teljesítményének határait feszegetik. Ez arra késztette a készülékgyártókat, hogy lépjenek túl a szilíciumon, és a szükséges teljesítmény elérése érdekében tárják fel a GaAs- és a GaN-eszközökben rejlő lehetőségeket is.

Ezek az új adatfeldolgozó technikák nagyobb sávszélességű, kisebb alapterületű és jobb hatásfokú eszközöket adnak a tervezők kezébe. A tervezőknek azonban meg kell érteniük a kis zajú erősítők és a teljesítményerősítők működésének alapjait ahhoz, hogy hatékonyan tudják kiaknázni ezeket az új műszaki megoldásokat.