Comprender los principios básicos de los amplificadores de potencia y de bajo ruido en diseños inalámbricos

La presión para el rendimiento, la miniaturización y la operación de más alta frecuencia está desafiando los límites de dos componentes críticos conectados a la antena de un sistema inalámbrico: el amplificador de potencia (PA) y el amplificador de bajo ruido (LNA). Este cambio fue fomentado por los esfuerzos de hacer realidad la red 5G, así como el uso de PA y LNA en terminales VSAT, enlaces de radio de microondas y sistemas de radar de elementos en fase.

Estas aplicaciones tienen requisitos que incluyen bajo ruido (para el LNA) y mayor eficiencia (para el PA), así como el funcionamiento a frecuencias más altas, hasta 10 GHz y más allá. Para satisfacer estas crecientes demandas, los fabricantes de LNA y PA están pasando de los procesos tradicionales íntegramente de silicio a arseniuro de galio (GaAs) para los LNA, y a nitruro de galio (GaN) para los PA.

Este artículo explicará la función y los requisitos de los LNA y PA y sus principales características, antes de presentar dispositivos GaAs y GaN típicos y lo que se debe tener en cuenta al diseñar con ellos.

La función sensible del LNA

La función del LNA es tomar la señal extremadamente débil e incierta de la antena, por lo general del orden de los microvoltios o por debajo de -100 dBm, y amplificarla a un nivel más útil, usualmente de la mitad de un voltio a un voltio entero (Figura 1). Para ayudar a poner esto en perspectiva, en un sistema de 50 Ω, 10 μV son -87 dBm, y 100 μV equivalen a -67 dBm.

Si bien ofrecer esta ganancia en sí no es un gran desafío con la electrónica moderna, se puede ver seriamente comprometido por cualquier ruido que el LNA pueda agregar a la señal de entrada débil. El ruido puede sobrepasar cualquier beneficio de la amplificación que la LNA agrega.

Figura 1: El amplificador de bajo ruido (Amplificador de bajo ruido) de la ruta de recepción y el amplificador de potencia (PA) de la ruta de transmisión se conectan a la antena a través de un duplexor, que separa las dos señales y evita que la salida relativamente potente del PA sobrecargue la sensible entrada del Amplificador de bajo ruido. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Tenga en cuenta que el LNA funciona en un mundo de incógnitas. Como el "front-end" del canal del receptor, debe captar y amplificar una señal de bajo voltaje y muy bajo consumo más un ruido aleatorio asociado que la antena genera dentro del ancho de banda de interés. En la teoría de señales, esto se denomina el desafío de ruido desconocido/señal desconocida, que constituye el desafío más difícil de todos los desafíos de procesamiento de señal.

Para los LNA, los principales parámetros son la figura de ruido (NF), la ganancia y la linealidad. El ruido se debe a las fuentes térmicas y a otras fuentes, con figuras de ruido típicas en el rango de 0.5 a 1.5 dB. La ganancia típica está entre 10 y 20 dB para una sola etapa. Algunos diseños utilizan amplificadores en cascada con una etapa de NF baja y baja ganancia, seguida de una etapa de mayor ganancia que puede tener una NF mayor, pero es menos crítico una vez que la señal inicial se haya "ganado". (Para obtener más información sobre los LNA, ruidos y receptores RF, consulte el artículo de TechZone "Los amplificadores de bajo ruido maximizan la sensibilidad del receptor”).

La no linealidad es otro problema para el LNA, ya que la armónica resultante y la distorsión de intermodulación corrompen la señal recibida y dificultan aún más su demodulación y decodificación con una tasa de error de bit (BER) suficientemente baja. La linealidad se caracteriza generalmente por un punto de intercepción de tercer orden (IP3) que relaciona productos no lineales provocados por el término no lineal de tercer orden a la señal amplificada lineal; cuanto mayor sea el valor de IP3, más lineal será el rendimiento del amplificador.

El consumo de energía y la eficiencia en el LNA no son generalmente las principales preocupaciones. Por su naturaleza, la mayoría de los LNA son dispositivos de consumo bastante bajo, con un consumo de corriente de 10 a 100 mA, y ofrecen una ganancia de voltaje para las etapas subsiguientes sin proporcionar alimentación a la carga. A su vez, también hay solo uno o dos canales LNA en el sistema (el último, por lo general, en diseños de antena de diversidad tales como los que son para interfaces Wi-Fi y 5G), por lo que cualquier ahorro que se logre utilizando un LNA de bajo consumo será módico.

Además de su frecuencia de operación y ancho de banda, existe una cantidad relativamente grande de similaridad funcional entre los LNA. Algunos LNA también incluyen control de ganancia para que el amplificador pueda manejar un rango dinámico amplio de señales de entrada sin sobrecarga y saturación. Una resistencia de señal de entrada tan fluctuante es un suceso común en aplicaciones móviles donde la pérdida de ruta de la estación base al teléfono puede tener un rango amplio, incluso durante un ciclo de conexión único.

El enrutamiento de señales de entrada a un LNA, y las señales de salida de él, son tan importantes como las especificaciones de la propia pieza. Por lo tanto, los diseñadores deben utilizar herramientas de modelado y diseño sofisticadas para lograr el potencial de rendimiento completo del LNA. Una parte superior puede ser degradada fácilmente por mala disposición o igualación de impedancias, por lo que es fundamental utilizar gráficos Smith suministrados por el proveedor (véase "El gráfico Smith: una herramienta gráfica "antigua" que sigue siendo vital en el diseño de RF"), junto con modelos creíbles del circuito para soportar el software de simulación y análisis.

Por estas razones, casi todos los proveedores de LNA de alto rendimiento que operan en la gama GHz ofrecen una placa de evaluación o un diseño de placa de circuito impreso verificado, ya que todos los aspectos de la configuración de prueba son fundamentales, incluidos el diseño, los conectores, la conexión a tierra, el desvío y la potencia. Sin estos recursos, los diseñadores perderán tiempo al tratar de evaluar el desempeño de la pieza en su aplicación.

Un ejemplo de Amplificador de bajo ruido basado en GaAs es el HMC519LC4TR, un dispositivo pHEMT (transistor de alta movilidad de electrones pseudomórfico) de 18 a 31 GHz de Analog Devices (Figura 2). Este paquete de montaje en superficie cerámica de 4 × 4 mm sin plomo ofrece una ganancia de señal pequeña de 14 dB junto a una baja figura de ruido de 3.5 dB y un IP3 alto de +23 dBm. Extrae 75 mA de una fuente única de +3 V.

Figura 2: El Amplificador de bajo ruido de GaAs HMC519LC4TR proporciona ganancia con bajo nivel de ruido para entradas de bajo nivel de 18 a 31 GHz; la mayoría de las conexiones del encapsulado son para carriles de alimentación, tierra o sin usar. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Existe una progresión de diseño desde su diagrama de bloques funcional básico hasta los múltiples condensadores externos de diferentes valores y tipos necesarios para proporcionar un desvío adecuado de RF con elementos parásitos bajos en sistemas de alimentación por tres carriles, denominados V_dd (Figura 3).

Figura 3: En una aplicación del mundo real, el Amplificador de bajo ruido HMC519LC4TR requiere varios capacitores de derivación en sus carriles de alimentación, todos con el mismo valor nominal de voltaje, para proporcionar tanto capacitancia masiva para el filtrado de baja frecuencia como capacitores de menor valor para la derivación de RF a fin de minimizar las parásitas de RF. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Este esquema mejorado conduce a la placa de evaluación, la cual detalla tanto el diseño como el BOM, incluido el uso de material de la placa de circuito impreso sin FR4 (Figura 4(a) y 4(b)).

Figura 4(a)

Figura 4(b)

Figura 4: Dadas las altas frecuencias en las que operan estos "front-end" de LNA, y las señales de bajo nivel que deben captar, es esencial un diseño de evaluación detallado y probado. Esto incluye un esquema (no mostrado), un diseño de placa (a) y un BOM, con especificaciones de componentes pasivos y materiales de la placa de circuito impreso (b). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Un LNA basado en GaAs para frecuencias aún más altas es un modelo de MACOM, el MAAL-011111, que soporta una operación de 22 a 38 GHz (Figura 5). Ofrece una ganancia de señal pequeña de 19 dB, junto con una figura de ruido de 2.5 dB. Este LNA parece ser un dispositivo de una sola etapa, pero internamente tiene tres etapas en cascada. La primera etapa está optimizada para ruido mínimo y ganancia moderada, mientras que las siguientes proporcionan una ganancia adicional.

Figura 5: Para el usuario, el Amplificador de bajo ruido MAAL-011111 parece ser un amplificador de una sola etapa, pero internamente utiliza una serie de etapas de ganancia diseñadas para maximizar la SNR de la trayectoria de la señal de entrada a salida, al tiempo que añade una ganancia significativa a la salida. (Fuente de la imagen: MACOM)

Al igual que el LNA de Analog Devices, el MAAL-011111 solo necesita de un único suministro de bajo voltaje y es pequeño, de solo 3 × 3 mm. El usuario puede ajustar e intercambiar algunas especificaciones de rendimiento configurando el voltaje de polarización (alimentación) en diferentes valores entre 3.0 y 3.6 V. La disposición sugerida de la placa muestra las dimensiones críticas del cobre de la placa de PC necesarias para mantener una adaptación de impedancias y un rendimiento de la placa de masa adecuados (Figura 6).

Figura 6: Esquema sugerido para aprovechar al máximo el MAAL-011111 de MACOM, a la vez que se consigue la adaptación de las impedancias de entrada y salida. Tenga en cuenta el uso del cobre de la placa de circuito impreso para las líneas de transmisión de impedancia controlada, así como los planos de tierra de baja impedancia (dimensiones en milímetros). (Fuente de la imagen: MACOM)

El PA dirige la antena

A diferencia del desafío difícil de captura de señal del LNA, el PA toma una señal relativamente fuerte con SNR muy alto de los circuitos, y debe aumentar su potencia. Los factores generales sobre la señal ya se conocen, como amplitud, modulación, forma, ciclo de trabajo y más. Este es el cuadrante de ruido conocido/señal conocida del mapeo de procesamiento de señal, y el más simple de administrar.

El parámetro principal para el PA es su salida de potencia a la frecuencia de interés, con un rango de ganancia PA típica entre +10 y +30 dB. Junto con la ganancia, la eficiencia es el otro parámetro crítico de PA, pero toda evaluación de la eficiencia se complica por el modelo de uso, la modulación, el ciclo de trabajo, la distorsión permitida y otros aspectos de la señal por impulsar. Las eficiencias de PA se encuentran en el rango de 30 al 80%, pero esto depende fuertemente de muchos factores. La linealidad de PA, también fundamental, se juzga por IP3, al igual que el LNA.

Mientras muchos PA utilizan una tecnología CMOS con niveles de potencia más bajos (hasta alrededor de 1 a 5 W), en los últimos años otras tecnologías han madurado y también se utilizan ampliamente, en espacial a niveles de potencia más altos donde la eficiencia es fundamental tanto para la vida de batería como para las consideraciones térmicas. Los PA que utilizan nitruro de galio (GaN) ofrecen mejor eficiencia a niveles mayores de potencia y frecuencias mayores (generalmente por encima de 1 GHz), donde se necesitan varios vatios o más. Los PA basados en GaN son de costo competitivo, especialmente si se tiene en cuenta la eficiencia y la disipación de energía.

El CGHV14800F de Wolfspeed, un dispositivo de 1200 a 1400 MHz y 800 W, es representativo de algunos de los PA basados en GaN más recientes. Esta combinación de eficiencia, ganancia y ancho de banda del PA del HEMT está optimizada para los amplificadores de radar de banda L pulsada, lo que permite a los diseñadores encontrar muchos usos en aplicaciones tales como el control de tráfico aéreo (ATC), sistemas meteorológicos, antimisiles y de seguimiento de objetivos. Al usar una alimentación de 50 V, brinda una eficiencia de drenaje típica del 50% y superior, y viene en un paquete de cerámica de 10 x 20 mm con bridas metálicas para su enfriamiento (Figura 7).

Figura 7: El encapsulado cerámico de 10 × 20 mm con pestañas metálicas del PA de GaN CGHV14800F de 1200 a 1400 MHz y 800 A debe cumplir simultáneamente requisitos difíciles de RF y disipación. Tenga en cuenta las bridas de montaje para atornillar (y no para soldar) el paquete a la placa de circuito impreso para lograr integridad mecánica y térmica. (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

El CGHV14800F funciona con una alimentación de 50 V, que normalmente proporciona una ganancia de potencia de 14 dB con una eficiencia de drenaje de > 65%. Al igual que los LNA, los circuitos de evaluación y diseños de referencia son fundamentales (Figura 8).

Figura 8: El circuito de demostración proporcionado para el PA CGHV14800F requiere muy pocos componentes aparte del propio dispositivo, pero la disposición física y las consideraciones térmicas son fundamentales; el PA se sujeta a la placa con tornillos y tuercas (en la parte inferior, no visibles) mediante bridas de encapsulado que sirven tanto para la integridad del montaje como para los objetivos térmicos. (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

Es igualmente importante, entre las muchas tablas de especificaciones y las curvas de rendimiento, la curva de reducción de disipación de potencia (Figura 9). Esto muestra el valor de salida de potencia disponible frente a la temperatura de la caja, e indica que la potencia máxima permitida es constante hasta los 115 °C, y luego disminuye linealmente hasta su valor máximo de 150 °C.

Figura 9: Debido a su función de suministro de potencia, la curva de reducción de potencia de un PA es necesaria para mostrar a los diseñadores la reducción de la potencia de salida permitida a medida que aumenta la temperatura de la carcasa. En este caso, la potencia de salida desciende rápidamente a partir de los 115 °C. (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

MACOM también ofrece PA basados en GaN, como el transistor NPT1007 GaN (Figura 10). Su rango de frecuencia de CC a 1200 MHz lo hace adecuado para aplicaciones RF tanto de banda ancha como de banda estrecha. Normalmente opera desde una única alimentación de entre 14 y 28 V, que proporciona una ganancia de señal pequeña de 18 dB a 900 MHz. Está diseñado para tolerar un desajuste de 10:1 SWR (relación de onda estacionaria) sin degradación del dispositivo.

Figura 10: El PA de GaN NPT1007 de MACOM abarca desde CC hasta 1200 MHz, por lo que es adecuado para aplicaciones de RF de banda ancha y estrecha. Los diseñadores obtienen apoyo adicional a través de una variedad de gráficos de carga y extracción. (Fuente de la imagen: MACOM)

Además de los gráficos que muestran los aspectos básicos del rendimiento a 500, 900 y 1200 MHz, el NPT1007 se apoya en una variedad de gráficos "load-pull" para ayudar a los diseñadores de circuitos y sistemas que se esfuerzan por garantizar un producto robusto (Figura 11). Las pruebas carga-tracción se realizan utilizando una fuente de señal emparejada y un analizador de señal (analizador de espectro, medidor de potencia o receptor vectorial).

La prueba requiere variar la impedancia vista por el dispositivo bajo prueba (DUT) para evaluar el desempeño del PA (cubriendo factores tales como la potencia de salida, ganancia y eficiencia), ya que cualquier valor de componente asociado puede cambiar debido a cambios de temperatura o como resultado de variaciones dentro de las bandas de tolerancia alrededor de sus valores nominales.

Figura 11: El gráfico de tracción en carga del PA NPT1007 va más allá de la tabla estándar de especificaciones mín/máx/típicas para mostrar el rendimiento del PA a medida que su impedancia de carga se aleja de su valor nominal, una situación que se producirá en el uso real debido a las tolerancias iniciales de producción y también a la deriva térmica. (Fuente de la imagen: MACOM)

Independientemente del proceso de PA utilizado, el proveedor deberá caracterizar la impedancia de salida del dispositivo en su totalidad para que el diseñador igualarla adecuadamente con la antena para una transferencia de potencia máxima, y para mantener la SWR (relación de onda estacionaria) tan cercana a la unidad como sea posible. Este circuito de igualación se compone principalmente de condensadores e inductores, y estos pueden ser implementados como dispositivos individuales, o fabricados como parte de la placa de circuito impreso o incluso del empaque del producto. También deben ser diseñados para mantener los niveles de potencia del PA al mismo tiempo. De nuevo, el uso de las herramientas como el gráfico Smith son fundamentales para comprender e implementar la igualación de impedancia requerida.

Dados los niveles altos de potencia y el tamaño pequeño de la matriz de PA, el empaque es un problema fundamental. Como se mostró anteriormente, muchos PA soportan la disipación térmica a través de cables y bridas de disipación térmica amplios, así como un slug térmico debajo del paquete que actúa como una ruta al cobre de la plaqueta de circuito impreso. A niveles de potencia mayores (por encima de 5 a 10 W), el PA puede tener una tapa de cobre para permitir que el disipador de calor se monte en la parte superior, y pueden necesitarse ventiladores u otras técnicas de refrigeración avanzadas.

Las potencias nominales y el pequeño tamaño asociados con los PA basados en GaN implican que el modelado del entorno térmico es fundamental. Por supuesto, no es suficiente para mantener el propio PA dentro de los niveles admisibles de temperatura de la caja o de la unión. El calor que se elimine del PA, cualquiera sea su cantidad, no debe ser un problema para otras partes del circuito y del sistema. Debe ponerse atención a abordar y resolver toda la ruta térmica.

Conclusión:

Los sistemas basados en RF, que van desde teléfonos inteligentes hasta terminales VSAT y sistemas de radar de elementos en fase, están empujando los límites de rendimiento de LNA y PA. Esto ha llevado a los fabricantes de dispositivos a ir más allá del silicio con el fin de explorar el GaAs y GaN para proporcionar el rendimiento requerido.

Estas nuevas tecnologías de proceso están proporcionando a los diseñadores dispositivos con anchos de banda más amplios, huellas más pequeñas y mayor eficiencia. Sin embargo, los diseñadores necesitan entender los fundamentos de las operaciones de LNA y PA para aplicar efectivamente estas nuevas tecnologías.