Sáquele el mayor provecho a los procesos exóticos para LNA 5G

Por Bill Schweber

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

A medida que continúa el desarrollo de redes inalámbricas 5G, el rendimiento del front end de una radio se convierte en un elemento cada vez más crítico en el camino de la señal del receptor de RF, particularmente con respecto al amplificador de bajo ruido (LNA). Con la emergencia de nuevas tecnologías de procesos para los LNA, tales como las de germanio de silicio (SiGe), silicio en aislador (SOI) y arseniuro de galio (GaAs), los diseñadores deben reevaluar las compensaciones de rendimiento de los parámetros de los LNA tales como ruido, sensibilidad, ancho de banda y potencia, para usarlos de manera efectiva.

Es imposible enfatizar la suficiente  importancia del front end, ya que este determina en gran medida el rendimiento del sistema en general con respecto a situaciones de señal débil y la tasa de error de bit que puede alcanzarse. Si el rendimiento del LNA es menor al esperado, el resto del esfuerzo de diseño del circuito y de manejo del canal de recepción para cumplir con el rendimiento 5G servirá de muy poco.

Este artículo discutirá el estado del 5G y los requisitos que exige del rendimiento del LNA. Luego, introducirá soluciones que utilicen los procesos más innovadores para ayudar a cumplir con dichos requisitos y cómo sacar el mayor provecho de ellos.

El estado del 5G en 120 palabras o menos

Algo difícil de hacer, pero lo intentaremos... A pesar de que las especificaciones para el 5G se finalizaron, todavía es un trabajo en desarrollo. Muchas de las características que se esperan del 5G todavía deben finalizarse, deben realizarse más reuniones y pruebas de campo y se debe recibir comentarios de los proveedores de los componentes y de sistemas inalámbricos, entre otros.

Sin embargo, algunos puntos ya están definidos: Los diseños 5G ocuparán nuevos bloques del espectro electromagnético, aunque algunas implementaciones iniciales igualmente serán menores a 6 gigahertz (GHz). La mayoría de los sistemas 5G funcionarán en los anchos de banda milimétricos (con las bandas de 27-28 y 37-40 GHz disponibles en los E. E. U. U). Incluso hay algunas colocaciones preliminares por encima de los 50 GHz. Debido a desafíos técnicos, las primeras implementaciones de bandas milimétricas se darán en la banda de 27-28 GHz.

La función específica del LNA

A pesar de que las especificaciones 5G permiten muchas opciones de modulación, potencia, índices de datos y otras capacidades, la mayoría de estos no son generalmente una gran preocupación para el canal receptor del LNA. Este componente debe hacer una sola cosa y hacerla bien: debe capturar y amplificar la señal débil y corrompida por el ruido de la antena a la vez que debe agregar la menor cantidad de ruido posible. Por lo tanto, es de gran ayuda comenzar a ver el LNA en sí sin preocuparse demasiado por los problemas de las especificaciones de mayor nivel a medida que estas evolucionan.

La principal especificación del LNA para un funcionamiento aceptable en una banda especificada es el coeficiente de ruido (NF), que es la cantidad de ruido intrínseco que agrega el LNA. Para el 5G, especialmente cerca de los 28 GHz, el NF generalmente necesita ser de entre 1 y 3 dB aunque, en algunas situaciones, pueden aceptarse uno o dos dB más. (Vea “Entiendo el coeficiente de ruido, pero ¿cómo es que el ruido tiene una ‘Temperatura’?” para ver una discusión más detallada sobre algunos de los factores causantes de ruido más comunes.) La ganancia generalmente debe ser de entre 15 y 20 dB para intensificar la señal recibida a un rango en el que los subsecuentes amplificadores, filtros y digitalización puedan manejarla correctamente.

Finalmente, los factores relacionados con la linealidad de la compresión de salida de 1 dB (llamada OP1 o P1dB) y el interceptado de salida de 3er orden (OIP3) necesita ser de al menos -20 y -35 dBm, respectivamente. A menores bandas 5G, estos requerimientos son menos determinantes en OP1 y OIP3, en el rango de -20 dBm para el primero y de -10 a -15 dBm para el segundo. Se debe tener en cuenta que un mayor valor negativo indica un rendimiento superior (-25 dBm es mejor que -20 dBm) pero muchas hojas de datos dejan de lado el signo negativo, lo que puede causar confusión.

Dado que, funcionalmente, son “solo” amplificadores, los LNA tienen un diagrama de bloque muy básico -generalmente solo un triángulo amplificador- y requieren únicamente un par de paquetes de terminales, comúnmente entre seis y ocho. Una consecuencia de esta simplicidad es que estos paquetes son pequeños, en el orden de entre 1 y 2 milímetros en cada lado, y muchos son más pequeños.

Un avance en nuevos procesos de LNA hacia 5G

Existen muchos LNA de alto rendimiento diseñados específicamente para funcionar a frecuencias más bajas de varios GHz (tales como las bandas de 2.4 GHz y 5 GHz), pero estos no cumplen con los complicados requisitos de los front end 5G. Dado que los LNA de base de silicio aparentan estar acercándose a su límite de rendimiento, se están utilizando nuevos procesos y materiales semiconductores para cumplir con la demandante mezcla de especificaciones de rendimiento 5G. Incluso en las bandas 5G más bajas, el silicio estándar no tiene un coeficiente de ruido lo suficientemente bajo ni índices OP1/OIP3 adecuados para 5G, con sus niveles menores de transmisión y recepción de señal, cuando se lo compara con los estándares inalámbricos existentes.

Es por esto que los proveedores han realizado grandes inversiones en R&D como así también en volúmenes de producción de nuevos procesos en materiales a base de SiGe, SOI y arsénico de galio (GaAs), los cuales ofrecen una mayor movilidad de electrones, geometrías más pequeñas y pérdidas menores.

Por ejemplo, usar un LNA BGA8U1BN6 deInfineon Technologies con un proceso SiGe tiene un coeficiente de ruido de tan solo 1.6 dB, con un OP1 de entre 18 y 22 dBm y un OIP3 de entre 10 y 15 dBm. Funciona entre los 4 y 6 GHz con una ganancia de 13.7 dB.

Además, el BGA8U1BN6 ofrece una característica de ahorro de energía con la cual puede redirigirla para pasar a un modo de desviación, en el cual simplemente pasa la señal de entrada a la salida con una pérdida de inserción de 7.5 dB (Figura 1). Esta característica es útil cuando la fuerza de la señal recibida es alta, ya que previene la sobrecarga de la etapa subsiguiente a la vez que corta la corriente de entrada del LNA con una entrada de 2.8 voltios de alrededor de 20 miliamperios (mA) a aproximadamente 100 microamperios (µA), un ahorro significativo.

Diagrama del LNA BGA8U1BN6 SiGe de Infineon Technologies

Figura 1: El LNA BGA8U1BN6 SiGe de Infineon Technologies incluye un modo de desviación que quita el LNA del camino de la señal, lo que reduce la ganancia y previene la sobrecarga y la saturación en las etapas subsiguientes, a la vez que reduce los requisitos de corriente. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

También hay un modo de derivación disponible a través del SKY65806-636LFdeSkyworks Solutions, un LNA SOI para 3400 a 3800 MHz. La ganancia es similar a la de un dispositivo Infineon a 13.6 dB, mientras que el coeficiente de ruido es tan solo de 1.2 dB. El voltaje de entrada es de 1.6 a 3.3 voltios, con una corriente de funcionamiento de tan solo 3.85 mA. Como el LNA de Infineon, este LNA de 50 Ω incluye una función de derivación controlada por el usuario.

El LNA ADL5724 de Analog Devices también utiliza un proceso SiGe para una operación de 12.7 GHz a 15.4 GHz (Figura 2). La salida diferencial balanceada de 100 Ω es adecuada para impulsar conversores descendientes diferenciales y convertidores analógicos a digitales. La ganancia típica es mayor a 23.7 dB, mientras que el coeficiente de ruido típico es de 2.1 dB a 12.7 GHz y de 2.4 dB a 15.4 GHz.

Diagrama del ADL5724 SiGe de Analog Devices

Figura 2: El ADL5724 SiGe de Analog Devices proporciona salidas balanceadas y diferenciales, lo que soporta una mejora en la integridad de la señal entre esta y la próxima etapa de la cadena de señal. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Dado que muchos LNA no se colocan comúnmente en ambientes de temperatura estable, la hoja de datos del ADL5724 incluye gráficos de comparación de factores de rendimiento críticos y temperatura (Figura 3).

Gráficos de la temperatura según se muestra en (a) ganancia y (b) coeficiente de ruido

Figura 3: El rendimiento del LNAN depende de la temperatura según se muestra en estos gráficos de (a) ganancia y (b) coeficiente de ruido, ambos comparados con la frecuencia, a -40 ⁰C, +25 ⁰C, and +85 ⁰C. Considere cómo la ganancia decrece a medida que el coeficiente de ruido aumenta con el incremento de temperatura. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para el ADL5724, la ganancia decrece mínimamente con la temperatura, mientras que el coeficiente de ruido aumenta. Este rendimiento es típico de los LNA, sin importar el proceso. Los diseñadores deben tener en cuenta estos cambios cuando modelan escenarios de los peores casos posibles y simulaciones de rendimiento de cadena de señal.

Para un rango dinámico alto y poco ruido, MACOM Technology Solutions Holdings (MACOM) cuenta con el MAAL-011078, un LNA GaAs monofásico con un rango dinámico alto y un coeficiente de ruido extremadamente bajo de solo 0.5 dB a 2.6 GHz. También ofrece una ganancia de 22 dB y una linealidad alta de 33 dBm (OIP3) y 17.5 dBm (P1dB). El IC, que cubre 700 MHz a 6 GHz, incluye una característica adicional: un circuito polarizado activo integrado de manera que los usuarios puedan establecer la corriente de polarización (punto de operación) mediante un resistor externo. Como resultado, el usuario puede personalizar el consumo de energía para que se adecue a la aplicación deseada. Por ejemplo, elegir un rendimiento un poco menor para una corriente de funcionamiento menor (Figura 4).

Gráfico del MAAL-011078 de MACOM que permite a los usuarios establecer la corriente de polarización del LNA.

Figura 4: El MAAL-011078 de MACOM permite a los usuarios establecer la corriente de polarización y el punto de operación del LNA mediante un resistor externo, y de este modo intercambiar una menor corriente de funcionamiento para los cambios en el OIP3 (izquierda), y un rendimiento del P1dB menor (derecha) contra la frecuencia. (Fuente de la imagen: MACOM).

Sacar el mayor provecho de un LNA 5G

Una vez realizada la elección de un LNA adecuado para el 5G, se requiere tener en cuenta algunas consideraciones y requisitos para implementar un diseño de front end 5G para obtener el máximo provecho de un LNA. Dado que la frecuencia de funcionamiento sobrepasa los 5 GHz, 10 GHz, hay 5 factores importantes que se deben considerar, además del LNA en sí.

La selección del material de la placa de CI: En el rango de los gigahertz, las pérdidas de la línea de transmisión en la entrada y salida del LNA son un factor importante. Esto es especialmente cierto del lado de entrada, ya que las pérdidas de este lado se degradan a una proporción de señal a ruido máxima alcanzable y también añaden ruido a la salida del LNA. Dado que la línea de transmisión en la mayoría de los diseños se fabrica como cinta completa en la placa de CI en sí misma, la placa debe estar hecha de un material dieléctrico de pérdida baja.

El laminado de la placa de CI FR4 ubicua solo es inadecuado, por lo que los proveedores ofrecen una gama de materiales y laminados alternativos. Una placa ampliamente utilizada utiliza un laminado especial ubicado sobre un núcleo FR4 para proporcionar un factor de pérdida estable para la línea de transmisión, pero con la fuerza subyacente del FR4 como endurecedor.

Considere que, en estas frecuencias, la placa de CI debe considerarse como otro componente “pasivo” del diseño de circuito, con las dependencias que tienen todos los demás pasivos. Además, se deben tener en cuenta incluso sutilezas como el coeficiente de temperatura de las características primarias de la placa y sus dependencias. Los proveedores de materiales de placa de CI de mayor rendimiento proporcionan estos datos.

Selección del capacitor: Se deben usar capacitores de Q alto para el circuito de adaptación de entrada y salida para mantener un coeficiente de ruido bajo dentro y fuera del LNA. Los componentes de Q bajo degradarán el coeficiente de ruido desde 0.2 dB hasta 1 dB completo. Los capacitores NPO ampliamente utilizados tienen un Q bajo y mayores pérdidas, por lo que se deben evitar. Los capacitores Q más altos son a base de porcelana, pero son caros. Es posible encontrar un intermedio útil, según el análisis de rendimiento y costo.

Derivación de entrada de alimentación: Es ampliamente conocida, pero muchas veces se pasa por alto, por lo que merece que se mencione nuevamente. Una derivación cuidadosa y completa de la fuente de alimentación CC a la IC y a otros puntos es esencial para asegurar un rendimiento estable, consistente y de alta frecuencia. Los capacitores de derivación elegidos deben tener una impedancia mínima en las frecuencias necesarias para maximizar el rendimiento de desacoplo.

Por ejemplo un capacitor de 1000 picofarad (pF) no es una buena opción para un desacoplo de alta frecuencia. A 5 GHz, la frecuencia autoresonante de un capacitor de 1000 pF es similar a un inductor, por lo que podría ser, de hecho, contraproducente para el desacoplo. En su lugar, se debe colocar un capacitor de valor pequeño (típicamente menos de 10 pF) cerca del LNA. Además, el diseño debería incluir un desacoplo convencional de menor frecuencia utilizando una combinación paralela de capacitores de 1000 pF y 0.01 µF. Estos no necesitan estar ubicados cerca del LNA.

Coordinación de la entrada y la salida : Si bien muchos LNA tienen una impedancia de 50 Ω para la entrada y salida, algunos no la tienen. Incluso si la tuvieran, el circuito que impulsa el LNA y el circuito que impulsa la salida del LNA puede no ser de 50 Ω. Por lo tanto, se debe crear un circuito de adaptación con una gráfica Smith y parámetros-S utilizados para establecer las opciones de coordinación adecuadas. Nuevamente, los componentes reactivos pasivos -inductores y capacitores- utilizados en las frecuencias del 5G tendrán dependencias inevitables de varios tipos: internas, a los componentes cercanos, y a la placa de CI.

Los diseñadores deben hacer tres cosas: elegir los componentes correspondientes diseñados para dependencias bajas en estas frecuencias; asegurarse de que las dependencias inevitables estén completamente caracterizadas en el contexto de la colocación del componente; y utilizar estos valores durante el modelado del circuito de adaptación y ajustar los valores nominales de manera acorde.

Interconexiones de cables: Algunas instalaciones 5G necesitan interconexiones que vayan más allá de la placa de CI y sus líneas de transmisión completas y necesitan, en cambio, cables físicos. Si se utiliza una interfaz diferencial -como es comúnmente el caso para mantener balanceados los circuitos y hacerlos menos susceptibles al ruido- estas interconexiones de cable pueden requerir pares de cables con emparejamiento desviado con características de propagación idénticas, en el mejor de los casos.

Por esta razón, los cables de alto rendimiento para frecuencias 5G que alcanzan los 40 GHz o más, muchas veces tienen un retraso emparejado a 1 psec. Se venden y usan en pares, y los dos cables físicos incluyen “bandas restrictivas” para mantenerlos juntos en todo momento, ya que no se pueden instalar ni reemplazar de manera individual. Usar estos cables permite que el circuito diferencial alcance el rendimiento de LNA de vanguardia, a medida que estos nos conducen hacia el siguiente nivel de la cadena de señales.

Conclusión

El estándar inalámbrico 5G está llevando las frecuencias de operación más arriba, a rangos de multi-GHz y decenas de GHz. También ejerce demandas de rendimiento con menor ruido y menor distorsión del circuito analógico, especialmente el amplificador de bajo ruido. Las tecnologías de nuevos procesos IC, tales como SiGe, SOI y GaAs, están respondiendo a estas necesidades. Sin embargo, el rendimiento de LNA superiores puede disminuir si no se presta atención suficiente a las realidades de RF en estas frecuencias más altas.

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Información sobre el autor

Bill Schweber

Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

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