Интегрални усилватели за гигахерцовия обхват

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 7/2017 • 03.11.2017

Интегрални усилватели за гигахерцовия обхват
Интегрални усилватели за гигахерцовия обхват

Стефан Куцаров

Използваният твърде отдавна гигахерцов обхват се характеризира със сериозни промени през последното десетилетие главно в две насоки. Първата е бързото нарастване на използването на частта му до около 15 GHz, в която се появиха множество нови комуникационни мрежи и се разшириха съществуващите.

Ползващите ги устройства логично изискваха подходящи електронни елементи и прибори, част от които бяха съществуващи с подбрани параметри, но се появиха и нови, бързо заели подобаващо място. Настъпилите промени в електрониката като цяло не отминаха и тази част на GHz-овия обхват - достатъчно е да се спомене рязкото нарастване на относителния дял на интегралните схеми (ИС) в него, чиито параметри и размери допринесоха за появата на прибори с нови характеристики, все по-компактни и с батерийно захранване.

Втората насока на развитие е овладяването на по-високи честоти – на пазара вече се предлагат ИС и дискретни прибори за ползване до около 100 GHz, а работата във фирмени и университетски развойни и изследователски центрове вече има като резултат прототипи за честоти до 300 GHz.
Статията е посветена на интегралните усилватели като едни от най-често използваните блокове в апаратурите за GHz-овия обхват.

Особености
Обхвати. Засега се приема, че GHz-овият обхват е от 1 GHz до 300 GHz и съществуващото му разделяне на подобхвати в съответствие с новите и старите означения и честотни ленти, приети в Европа, страните на НАТО и САЩ (EU, NATO, US ECM frequency designation), е дадено в табл. 1. За предвидените за ползване в цивилни приложения честоти над 100 GHz засега няма приети означения.

Съществуват и стандарти за осигуряване на електромагнитна съвместимост между различните видове устройства, които могат да бъдат намерени в специализираната литература. Тук ще бъдат споменати само EN 300 328-1 и EN 300 328-2 за обхвата 2,4 GHz (реално между 2400 MHz и 2483,5 MHz), EN 300 440-1 и EN 300 440-2 за връзки на близко разстояние между устройства в обхвата 1-40 GHz и EN 300 674 за връзки между транспортни средства в ISM обхвата 5-8 GHz.

Мястото на усилвателите. Две са основните им приложения - за приеманите чрез антена или от друг източник сигнали (Receiver Amplifier) и за осигуряване на достатъчна амплитуда и съответно мощност на предаваните чрез електрически ток или излъчвани под формата на електромагнитни вълни. 

В първото приложение се ползват усилватели на напрежение (Voltage Amplifier) VА с две основни разновидности. Предназначените за усилване на сигнали с малка амплитуда са малошумящи усилватели (Low Noise Amplifier) LNA, докато тези без изискване за малко влияние на шумовете обикновено са широколентови (Wideband Amplifier) WBA, но осигуряваната от честотната им лента голяма стръмност на изходните импулси определя и наименованието бързи усилватели (High-Speed Amplifier) HSA.

Във второто приложение са необходими усилватели на мощност (Power Amplifier, Transmit Power Amplifier) PA, като идея за едновременното им ползване заедно с LNA е дадена на фиг. 1, представляваща опростената блокова схема на приемо-предавател (Transmitter) за безжична двупосочна връзка.

Чрез ключовете SW1 и SW2 се избира работата като приемник или предавател, а в показаното им положение сигналът от антената преминава през лентов филтър BPF, усилва се от LNA и се получава на извода RF. В другото положение работи РА, който усилва напрежението от RF и предоставя желаната мощност на Ant (в някои случаи между него и Ant също се поставя BPF). По принцип само LNA или и двата усилвателя може да са с регулируем коефициент на усилване, задаван от управляващ блок, обикновено работещ с някой от масово използваните интерфейси (например SPI).

На схемата не е означено постояннотоковото захранване, тъй като обикновено то се осигурява по подходящ начин през извод RF. Не е показана, тъй като не е задължителна, и диодната защита от електростатични разряди между Ant и маса. При не по-малко използваните еднопосочни връзки (например за дистанционно управление или безжични слушалки) VА и РА са в различни устройства и съответно задължително представляващи самостоятелни ИС.

Усилватели на напрежение
Малошумящи усилватели. Представляват монолитни микровълнови ИС (Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC) с различни технологии за реализация на транзисторите – псевдоморфни с голяма подвижност на електроните (pHEMT), галиево-арсенидни (GaAs) или силициево-германиеви върху основа от въглерод (SiGe:C). Първият им основен специфичен параметър е коефициентът на усилване по мощност (Gain, Power Gain) с означения G или Gp, който е S21 от S-параметрите на усилвателите.

Обикновено се дават стойностите му за няколко честоти или честотни обхвата поради неговото намаляване с увеличаване на честотата. Други параметри са честотната лента (Frequency Range) FR и входната мощност, при която G намалява с 1 dB спрямо идеалния случай (1 dB Compression Point at Input) P1dB или IP1dB. Реалните усилватели са нелинейни, т. е. графичната зависимост на изходното от входното им напрежение не е права линия.

Поради това при подаване на техния вход на сигнали с честоти f1 и f2 на изхода се получават и такива с ±mf1±nf2, където по принцип m и n са произволни цели числа. За работата на LNA най-съществени са сигналите с 2f1-f2 и 2f2-f1, наричани Two-Tone Third-Order Products, тъй като са много близко до тяхната лента на пропускане и е трудно, а понякога и невъзможно, да бъдат филтрирани.

Оценка на влиянието на тези сигнали се извършва чрез една от двете взаимносвързани мощности. Първата е входната мощност на пресечната точка от трети ред (Input Third-Order Intercept Point, Input IP3) с означения IIP3 и IP3I от сигналите с честоти 2f1-f2 и 2f2-f1, която определя същата изходна мощност, както по-малката от нея входна мощност на сигналите с f1 и f2. Произведението GxIIP3 представлява изходната мощност на пресечната точка от трети ред (Output Third-Order Intercept Point, Output IP3), означавана с OIP3 или IP3О.

Наличието на по-голяма IIP3 или OIP3 на даден LNA показва възможността му за работа практически без нелинейни изкривявания до по-големи Pin, което е предимство. Често се ползва общото означение IP3 за IIP3 и OIP3.

Други основни параметри са захранващото напрежение VDD и консумираният от него ток IDD, а коефициентът на шума (Noise Figure) NF показва намаляването в dB на отношението сигнал/шум на изхода спрямо това на входа, което се причинява от собствения шум на усилвателя (при NF=0dB изходното отношение е равно на входното). По принцип освен G от честотата зависят и P1dB, IIP3, OIP3 и NF, чиито стойности в каталозите обикновено се дават при няколко честоти.

Основните приложения на LNA в различни варианти на показаната на фиг. 1 схема са в мрежи IEEE 802.11b/g/n, IEEE 802.15.4 PAN и Bluetooth, в безжични видеосистеми, точки на достъп (Access Point) и рутери, в смартфони и компютри. Освен това се използват в прибори без РА като т. нар. Software Defined Radio, радари, устройства за заглушаване (Electronic Warfare), GPS приемници, автомобили (например за дистанционно отваряне и контрол на налягането на гумите - TPMS).

При реализацията на устройства с LNA трябва да се имат предвид типичните им схеми на свързване и развойни платки, които практически винаги се дават в документацията. Същото се отнася и за начина на подаване на VDD. Не трябва да се забравя, че част от LNA имат вграден електронен ключ, който чрез вградения управляващ блок може непосредствено да свързва изхода с входа (Bypass Mode).

Чрез същия блок обикновено се осъществява и споменатото регулиране на G. В някои LNA (например даденият на ред 2 от табл. 2) чрез блока могат да се задават две стойности на IP3 (High IP3 и Low IP3), като при по-малка се намалява IDD.

За типичните основни параметри на LNA в табл. 2 трябва да се отбележи, че при сравнително широк честотен обхват тези в колона 4 се дават поотделно за няколко негови части, тези на ред 1 са за целия честотен обхват, а на ред 2 са за работа на усилвателя в обхвата до 3 GHz и отделно в каталога са за обхвати 3-8 GHz и 8-10 GHz. Друг практически момент е, че наложителният значителен IDD определя и немалка разсейвана мощност, поради което част от LNA са в керамичен корпус (например този на ред 1).

Широколентови усилватели. Като разлика на основните параметри от тези на LNA трябва да се отбележат продължителността на предните фронтове на изходните импулси (Rise Time) tr и стойностите на входния импеданс (Input Impedance) Zin и изходния импеданс (Output Impedance), като последните са съществени при вграждане на WBA в устройства и свързване в жични мрежи.

Към тях в част от усилвателите се прибавят отношенията на стоящите вълни на напрежението на входа (Voltage Standing-Wave Ratio) Input VSWR и на изхода Output VSWR, които в идеалния WBA са 1:1.

Съществуват 3 начина за реализация на WBA. Първият, ползван почти изцяло и за LNA, е като ИС с несиметрични вход и изход на основата на InGaP биполярни транзистори, реализирани с НВТ Technology (ред 4 на табл. 3). Вторият е чрез ИС на усилватели с диференциален вход и изход (редове 1 и 5) и последният са тези без изводи (Die) за реализация на модули с особеност на дадените за тях примери на редове 2 и 3 наличието на изводи, замасяването на които позволява задаване на стойностите на основните параметри.

Типични приложения на WBA са в жични и безжични комуникационни мрежи (клетъчни станции, 3G Base Station, PCS, WLAN), кабелна телевизия, модеми за кабелни мрежи, такива за непосредствена връзка със спътници (Direct Broadcast Satellite) DBS, измервателни прибори (напр. осцилоскопи), за усилване на сигнали от бързи прибори (например лавинни и PIN фотодиоди), като входни стъпала (драйвери) на бързи АЦП и ЦАП и др. Препоръките за ползване на типичните схеми на свързване и развойни платки на LNA са в сила и за WBA. Същото се отнася и за начина на подаване на VDD.

Към типичните примери за WBA в табл. 3 може да се прибави, че този на ред 1 има скорост на нарастване на изходното напрежение (Slew Rate) SR=5500 V/ms и извод за изключването му. С аналогичен извод, но SR=18000 V/ms е WBA на ред 5.

Усилватели на мощност

Обикновено РА са дву- или тристъпални усилватели с галванично разделяне между стъпалата чрез вградени кондензатори, а тези за входа и изхода може да са вградени или външни. За избягване на паразитни връзки през захранването обикновено всяко от стъпалата е със самостоятелно захранващо напрежение и отделни маси със съответните изводи на ИС.

По-рядко две от стъпалата са с общо захранване или за всички има отделен вграден захранващ блок. Друга принципна особеност е наличието в част от РА на блок за измерване на изходната мощност (Dynamic Power Control) DET.

Същността на структурата на РА се изяснява чрез опростената блокова схема на фиг. 2. Галваничното разделяне е само между стъпалата, докато за входа и изхода са необходими външни кондензатори. Захранващите напрежения на стъпала 1 и 2 са VDD1 и VDD2, докато за стъпало 3 трябва външно захранване с аналогично свързване.

Изводите на масите на стъпалата са GND1-GND3, а необходимите им допълнителни захранващи напрежения се осигуряват от блока Bias и неговото външно напрежение VВ. Входът SHDN на същия блок е за изключване на РА, а изходът CNTR_P е на DET.

Интегралните РА също са MMIC, като съществува значително разнообразие в реализациите на транзисторите – GaAs MOS, GaAs pHEMT, InGaP HBT, SiGe и GaN HEMT, като популярността на последните нараства главно поради по-малките им размери при аналогична мощност. При реализацията на устройства с РА са в сила същите препоръки, както при LNA и WBA, към които се прибавят тези за охлаждане и за проектирането на платки.

Част от основните параметри на РА (G, FR, P1dB, VDD и IDD) имат същото значение, както при LNA и WBA, а от IP3 се ползва само OIP3. Освен P1dB параметър е и изходната мощност на насищане на усилвателя (Saturated Output Power) PSAT, която не може да бъде надхвърлена чрез увеличаване на Pin.

Реално важната за РА максимална изходна мощност е P1dB, но в някои каталози вместо нея се дава мощността, при която G намалява с 3dB (3dB Compressed Power, P3dB) или с 4dB (4dB Compressed Power, P4dB). Вместо една от тях някои производители отбелязват като максимална изходна мощност PSAT, което налага внимание при ползването на техническа документация. Понякога вместо в dBm мощността се дава във W, като връзката е P[dBm]=30+10lgP[W].

Коефициентът на полезно действие (Power Added Efficiency) PAE на РА е 100(Pout-Pin)/PDC, %, където PDC е консумираната мощност от постояннотоковото захранване. При постъпване на Pin на входа от него се отразява частта Pir, което се оценява чрез параметъра отразена от входа мощност (Input Return Loss) IRL=10lg(Pin/Pir),dB, който е S11 от S-параметрите на РА.

Аналогично е положението на изхода, където не цялата Pout се подава на товара, а частта от нея Por се връща в усилвателя – параметърът е отразена от изхода мощност (Output Return Loss) ORL=10lg(Pout/Por),dB, представляващ S22. Понякога IRL и ORL се дефинират като реципрочните им величини и стойностите им в каталога са отрицателни. Тъй като по принцип отраженията са нежелателни, то е добре IRL и ORL да са колкото е възможно по-големи.

Друг начин за оценка на отраженията е чрез подаваното напрежение (Incident Voltage) V+ и отразеното напрежение (Reflected Voltage) V-, чието отношение G=V-/V+ е коефициентът на отражение (G е гама). Вместо него обикновено се ползва отношението на напреженията на стоящата вълна (Voltage Standing Wave Ratio) VSWR=(1+|G|)/(1-|G|) с отделни стойности за входа (Input VSWR) и изхода (Output VSWR), означавани в каталозите и като VSWR:1. Отраженията са толкова по-малки, колкото последната величина е по-близка до 1:1, при което няма отражение.

Както при всеки РА важна е разсейваната от него под формата на топлина мощност (Power Dissipation), чиято максимална стойност PDISS е сред основните параметри. Тя е в сила до определена температура (обикновено 25, 50 или 85°С в зависимост от производителя), след която намалява. Важно е да се има предвид значителната честотна зависимост на част от основните параметри, която в каталозите се отразява чрез таблици (понякога твърде подробни) или/и графики.

Входното и изходното съпротивление на РА са също така важни, както при усилвателите на напрежение, и практически винаги са 50 W. Част от усилвателите са без необходимост от външни съпротивления за съгласуване (I/O are matched), което улеснява реализацията на многочипови модули (Multi-Chip-Module) МСМ, особено чрез РА с малки размери.

Усилватели до 10 GHz вкл. Те са най-масово разпространените поради твърде усъвършенствани и сравнително евтини технологии на производство, което от своя страна е предпоставка за широкото разпространение на устройства за различни части на този обхват. Най-масови са 2,4 GHz-овите, нарастват приложенията на 5,8 GHz-овите, но многобройни са и примерите за използването извън тях.

Характерни приложения на интегралните РА до 10 GHz са в безжични мрежи, за смартфони и таблети, измервателни апаратури, радари за граждански (например С-bang за метеорологията) и военни цели, телеметрични прибори, заглушители и др.

В табл. 4 са основните параметри на РА от този обхват, като специфична особеност на дадения на ред 5 е удовлетворяването на изискванията на стандарта IEEE 802.11g за необходима изходна мощност (Spectrum Mask), чиято стойност е дадена в каталога като POUT.

Усилватели над 10 GHz. По понятни причини техният относителен дял все още е по-скромен и не са много производителите, които ги предлагат, но през следващите години може да се очаква разширяване на този дял поради твърде вероятното нарастване на нуждите. Максималната работна честота на интегралните РА засега е 100 GHz, но скоро може да се очаква пускане на пазара на усилватели за по-високи честоти.

Освен логичните приложения за реализация на комуникационни мрежи (вкл. спътникови) тази категория РА се ползват в радари (например за автомобилни), микровълнови и оптични измервателни прибори, за тестови апаратури и системи за обмен на данни. Табл. 5 съдържа основните параметри на РА с FR над 10 GHz, като този на ред 2 е без корпус и затова е дадена само максималната температура на канала на ползваните полеви транзистори.

Приемо-предаватели

Те представляват съчетание на някои от разгледаните усилватели с добавени други блокове, имащи за крайна цел намаляване на броя на елементите в устройствата. Практически изцяло са предназначени за безжични връзки и същността на действието им бе изяснена чрез фиг. 1, но в зависимост от модела съществува значително разнообразие в структурите и параметрите и съответно някои различия във функционирането им.

Приемо-предавателите са предназначени в по-голямата си част за устройства с гражданско предназначение – безжичен обмен на аудио и видео, връзки между компютърни конфигурации, LED осветление, автоматизирани домашни прибори, електроника в облеклото. Те са задължителна част от съществуващите радиовръзки, например ARIB STD-T-66, EN 300 440, ETSI EN 300 328 и FCC CFR47, Part 15. В професионалната област на първо място е индустрията - сензорни мрежи, безжично управление и измервания.

Типичен пример е ИС АТR2406 на Atmel (Microchip), която е предназначена за нелицензирания ISM обхват 2.4 GHz. Поддържа 95 канала с честоти между 2401,056 MHz и 2482,272 MHz и разстояние 864 kHz между два съседни, а вграденият GFSK модулатор е за скорости между 72 и 1152 kbps (всяка следваща е 2 пъти по-голяма от предната).

Вграденият LNA заедно с блоковете в приемната част осигурява чувствителност -93 dBm и потискане на съседния канал (ACR) с 14 dB спрямо приемания. Изходната мощност на РА е +4dBm, захранващото напрежение VDD на ИС е 3,2-4,6 V и постояннотоковата консумация в режим на приемане и предаване е съответно IDDRx=57 mA и IDDTx=42 mA. Околната температура за нормална работа е от -10°С до +60°С, а размерите са 5x5x0,9 mm. Същият производител предлага и ATR2808 за 5,8 GHz-овия ISM обхват.

Задължителен блок в клетките на безжичните мрежи са приемо-предавателите, какъвто е МАХ2553 на Maxim Integrated, предназначен основно за Band III, IV, IX и Х (честоти между 865 и 2170 MHz) на мобилната технология от трето поколение WCDMA (UMTS).

Работата на тази ИС се управлява чрез интерфейса SPI, захранващото напрежение е 3,3 V, от него се консумира ток между 36 и 300 mA в зависимост от режима на работа, а температурният обхват е -40ё+85°С. Друг типичен пример е AD9375 на Analog Devices, съдържаща два приемо-предавателя за лицензираните и нелицензираните обхвати между 300 MHz и 6 GHz и основно предназначена за клетки на базови станции на 3G и 4G мрежи.

Изходната мощност на предавателите е с обхват на регулиране 30 dB и стъпка 0,05 dB, реализирано чрез 4-проводния интерфейс JESD204B с LVDS логически нива, като максималната й стойност е между 4 и 7 dBm. Също чрез интерфейса се задава честотната лента на приемника между 8 и 100 MHz и се регулира коефициентът му на усилване също с 30 dB.

Обменяните чрез него данни са с максимална скорост 6144 Mbps. Приемо-предавателят е с 6 захранващи напрежения (3x1,3 V, 2x1,8 V и 3,3 V), има работен температурен обхват -40ё+85°С.

Значителна е групата приемо-предаватели с наименования RF Front End (FE) и RF Front End Module (FEM), като първата подгрупа са ИС реализирани с една технология, а втората съдържат два чипа (Multi-Chip Module, MCM) - обикновено този на приемника ползва GaAs pHEMT технология, а на РА е с InGaP/GaAs HBT. Целта и на двете е реализацията на прибори с минимален брой външни елементи, което се постига чрез наличието на допълнителни блокове освен LNA и РА, например балун трансформатор, филтри за фиксиране на работната честотна лента, нискочестотен филтър за хармониците и управление.

Важно е да се добави, че в структурата и съответно начина на функциониране на всяка от подгрупите съществуват различия, което налага внимание при ползването на каталожните данни и оценка на приложимостта.

Типичен пример за подгрупата на FE е СС2590 на Texas Instruments за обхвата 2,4 GHz, размери 4x4x0,82 mm и консумиран ток 22 mA при предаване и 3,4 mA при приемане за захранващо напрежение 2-3,6 V. Управляващият блок може да задава G=0 dB и +11,4 dB на приемника, а POUT е +13,8 dB при PAE=23,5%. Полезно е да се отбележи, че някои производители означават като FE усилватели на мощност; такъв например е CC2595 на същия производител.

Първият пример за по-голямата група на FEM е SST12LF01 на Microchip Technology отново за обхвата 2,4 GHz. Усилванията на приемната и предавателната част са 12 dB и 29 dB, а изходната мощност е 23,5 dBm при PAE=26%. Управлението може да осигурява включване и изключване на модула за не повече от 100 ns, а само на РА за под 200 ns. При работа с IEEE 802.11g скоростта на обмен е 54 Mbps, захранването е 2,9-4,2 V при консумация в режим на предаване 260 mA.

Компанията Texas Instruments има 3 набора FEM за обхватите 2,4 GHz, 3,5 GHz и 5,8 GHz съответно с означения TRF11xx, TRF12xx и TRF243x, чрез които могат да се реализират приемо-предаватели с различни възможности. Например комплектът TRF2436 и TRF2432 е за обхватите 2,4 GHz и 3,5 GHz с отделни входове (от ЦАП) и изходи (към АЦП) от втората ИС за всеки от тях. Всички ИС от наборите са с цифрово регулиране на коефициента на усилване на приемниците.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top