Compreendendo o básico dos amplificadores de potência e de baixo ruído em projetos sem fio

A pressão por desempenho, miniaturização e operação em frequências mais altas está desafiando os limites de dois componentes críticos conectados à antena de um sistema sem fio: o amplificador de potência (PA) e o amplificador de baixo ruído (LNA). Essa mudança foi estimulada pelos esforços para tornar o 5G uma realidade, bem como pelo uso do PA e LNA em terminais VSAT, links de rádio de micro-ondas e sistemas de radar de matriz em fases.

Essas aplicações têm requisitos que incluem menor ruído (para o LNA) e maior eficiência (para o PA), bem como operação em frequências mais altas, até e além de 10 GHz. Para atender a essas demandas crescentes, os fabricantes de LNA e PA estão migrando dos processos tradicionais totalmente em silício para arseneto de gálio (GaAs) nos LNAs e nitreto de gálio (GaN) nos PAs.

Este artigo explicará a função e os requisitos dos LNAs e PAs e suas principais características, antes de apresentar os dispositivos típicos de GaAs e GaN e o que se deve ter em mente ao projetar com eles.

A função sensível do LNA

A função do LNA é pegar o sinal extremamente fraco e incerto da antena, geralmente da ordem de microvolts ou abaixo de -100 dBm, e amplificá-lo para um nível mais útil, geralmente de meio a um volt (Figura 1). Para ajudar a colocar isso em perspectiva, em um sistema de 50 Ω, 10 μV é -87 dBm e 100 μV é igual a -67 dBm.

Embora fornecer esse ganho em si não seja um grande desafio com a eletrônica moderna, ele é gravemente comprometido por qualquer ruído que o LNA possa adicionar ao sinal fraco de entrada. Esse ruído pode anular todos os benefícios da amplificação que o LNA adiciona.

Figura 1: O amplificador de baixo ruído (LNA) do caminho de recepção e o amplificador de potência (PA) do caminho de transmissão se conectam à antena por meio de um duplexador, que separa os dois sinais e evita que a saída relativamente potente do PA sobrecarregue a entrada sensível do LNA. (Fonte da imagem: DigiKey)

Observe que o LNA funciona em um mundo de incógnitas. Como front-end do canal do receptor, ele deve capturar e amplificar um sinal de baixa potência e baixa tensão, além do ruído aleatório associado que a antena apresenta a ele dentro da largura de banda de interesse. Na teoria dos sinais, isso é chamado de desafio do sinal desconhecido/ruído desconhecido, o mais difícil de todos os desafios de processamento de sinais.

Para os LNAs, os principais parâmetros são a figura de ruído (NF), ganho e linearidade. O ruído é devido a fontes térmicas e outras, com valores típicos da figura de ruído na faixa de 0,5 a 1,5 dB. O ganho típico está entre 10 e 20 dB para um único estágio. Alguns projetos usam amplificadores em cascata com um estágio de baixo ganho e baixa NF, seguido por um estágio de ganho mais alto que pode ter NF mais alta, mas isso é menos crítico depois que o sinal inicial tiver o ganho aumentado. (Para saber mais sobre LNAs, ruído e receptores de RF, consulte o artigo da TechZone "Amplificadores de baixo ruído maximizam a sensibilidade do receptor").

A não linearidade é outro problema para o LNA, pois os harmônicos resultantes e a distorção de intermodulação corrompem o sinal recebido e dificultam a demodulação e a decodificação com uma taxa de erro de bit (BER) suficientemente baixa. A linearidade é geralmente caracterizada pelo ponto de intersecção de terceira ordem (IP3), que relaciona os produtos não lineares causados pelo termo não linear de terceira ordem ao sinal amplificado linearmente; quanto maior o valor de IP3, mais linear é o desempenho do amplificador.

O consumo de potência e a eficiência no LNA geralmente não são as principais preocupações. Por sua natureza, a maioria dos LNAs são dispositivos de baixo consumo de potência, com consumo de corrente de 10 a 100 mA, e estão fornecendo ganho de tensão aos estágios subsequentes, não fornecendo energia a uma carga. Além disso, há apenas um ou dois canais de LNA no sistema (o último geralmente em projetos com diversidade de antenas, como para interfaces Wi-Fi e 5G), de modo que qualquer economia com o uso de um LNA de menor potência seria modesta.

Além da frequência de operação e da largura de banda, há uma quantidade relativamente grande de similaridade funcional entre os LNAs. Alguns LNAs também incluem controle de ganho para que o amplificador possa lidar com uma ampla faixa dinâmica de sinais de entrada sem sobrecarga e saturação. Essa grande variação na intensidade do sinal de entrada é uma ocorrência comum em aplicações móveis, em que a perda do caminho entre a estação-base e o telefone pode ter uma grande variação, mesmo durante um único ciclo de conexão.

O roteamento dos sinais de entrada para um LNA e os sinais de saída dele são tão importantes quanto as especificações da própria peça. Portanto, os projetistas devem usar ferramentas sofisticadas de modelagem e layout para obter todo o potencial de desempenho do LNA. Uma peça superior pode ser facilmente degradada por um layout ou casamento de impedância ruins, portanto, é fundamental usar as cartas de Smith vindas pelo fornecedor (consulte "A carta de Smith: uma ferramenta gráfica antiga ainda essencial em projetos de RF"), juntamente com modelos confiáveis do circuito para dar suporte ao software de simulação e análise.

Por esses motivos, quase todos os fornecedores de LNAs de alto desempenho que operam na faixa de GHz oferecem uma placa de teste ou um layout comprovado da placa de circuito impresso, uma vez que todos os aspectos do arranjo de teste são essenciais, inclusive o layout, os conectores, o aterramento, a derivação e a alimentação. Sem esses recursos, os projetistas perderão tempo tentando avaliar o desempenho da peça em sua aplicação.

Um exemplo de LNA baseado em GaAs é o HMC519LC4TR, um dispositivo pHEMT (transistor pseudomórfico de alta mobilidade de elétrons) de 18 a 31 GHz da Analog Devices (Figura 2). Esse invólucro cerâmico de montagem em superfície de 4 × 4 mm sem terminais oferece ganho de sinal pequeno de 14 dB, além de uma figura de ruído baixa de 3,5 dB e um IP3 alto de +23 dBm. Ele consome 75 mA de uma única fonte de alimentação de +3 V.

Figura 2: O LNA de GaAs HMC519LC4TR oferece ganho com baixo ruído para entradas de baixo nível de 18 a 31 GHz; a maioria das conexões do invólucro é para trilhas de alimentação, terra ou não utilizado. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Há uma progressão do projeto, desde seu diagrama de blocos funcional simples até os vários capacitores externos de diferentes valores e tipos necessários para fornecer derivação de RF adequada com poucos efeitos parasitas em três trilhas de alimentação, designadas V_dd (Figura 3).

Figura 3: Em uma aplicação real, o LNA HMC519LC4TR requer vários capacitores de bypass em suas trilhas de alimentação – todos com a mesma tensão nominal – para fornecer uma alta capacitância para filtragem de baixa frequência e capacitores de valor menor para derivação de RF a fim de minimizar os parasitas de RF. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Esse esquema aprimorado leva à placa de teste, que detalha o layout e a lista de materiais, i.e. a BOM, incluindo o uso do material da placa de circuito impresso sem FR4 (Figura 4(a) e 4(b)).

Figura 4(a)

Figura 4(b)

Figura 4: Considerando as altas frequências em que esses front-ends de LNA operam e os sinais de baixo nível que devem capturar, é essencial um projeto de avaliação detalhado e testado. Isso inclui um esquema (não mostrado), o layout da placa (a) e a BOM com as especificações dos componentes passivos e do material da placa de circuito impresso (b). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Um LNA de GaAs para frequências ainda mais altas é o MACOM MAAL-011111, que suporta operação de 22 a 38 GHz (Figura 5). Ele oferece um ganho de sinal pequeno de 19 dB, juntamente com uma figura de ruído de 2,5 dB. Esse LNA parece ser um dispositivo de estágio único, mas internamente ele tem, na verdade, três estágios em cascata. O primeiro estágio é otimizado para o menor ruído e ganho moderado, enquanto os subsequentes fornecem ganho adicional.

Figura 5: Para o usuário, o LNA MAAL-011111 parece ser um amplificador de estágio único, mas internamente ele usa uma série de estágios de ganho projetados para maximizar a SNR do caminho do sinal de entrada para saída, ao mesmo tempo em que adiciona um ganho significativo na saída. (Fonte da imagem: MACOM)

Assim como o LNA da Analog Devices, o MAAL-011111 precisa apenas de uma única alimentação de baixa tensão e é minúsculo, com apenas 3 × 3 mm. O usuário pode ajustar e compensar algumas especificações de desempenho definindo a tensão de polarização (alimentação) em diferentes valores entre 3,0 e 3,6 V. O layout sugerido da placa mostra as dimensões críticas do cobre da placa de circuito impresso necessárias para manter o casamento de impedância adequado e o desempenho do plano-terra (Figura 6).

Figura 6: O layout sugerido para aproveitar ao máximo o MAAL-011111 da MACOM e, ao mesmo tempo, proporcionar o casamento de impedância da entrada e saída. Observe o uso do cobre da placa de circuito impresso para as linhas de transmissão com impedância controlada, bem como planos-terra de baixa impedância (dimensões em milímetros). (Fonte da imagem: MACOM)

O PA transmite para a antena

Em contraste com o difícil desafio de captura de sinal do LNA, o PA recebe um sinal relativamente forte com SNR muito alto do circuito e precisa aumentar sua potência. Todos os fatores gerais do sinal são conhecidos, como amplitude, modulação, forma, ciclo de trabalho e outros. Esse é o quadrante de sinal conhecido/ruído conhecido do mapa de processamento de sinal e o mais fácil de gerenciar.

O parâmetro principal do PA é a saída de potência na frequência de interesse, com o ganho típico do PA variando entre +10 e +30 dB. Junto com o ganho, a eficiência é o outro parâmetro crítico do PA, mas qualquer avaliação de eficiência é complicada pelo modelo de uso, modulação, ciclo de trabalho, distorção permitida e outros aspectos do sinal a ser reforçado. As eficiências do PA estão na faixa de 30 a 80%, mas isso depende muito de vários fatores. A linearidade do PA, também crítica, é avaliada pelo IP3, assim como no caso do LNA.

Embora muitos PAs usem a tecnologia CMOS em níveis de potência mais baixos (até cerca de 1 a 5 W), nos últimos anos outras tecnologias amadureceram e também estão sendo amplamente utilizadas, especialmente em níveis de potência mais altos, em que a eficiência é fundamental para a vida útil da bateria e para considerações térmicas. Os PAs que usam GaN oferecem melhor eficiência em níveis mais altos de potência e frequências mais altas (normalmente acima de 1 GHz), onde são necessários vários watts ou mais. Os PAs de GaN são competitivos em termos de custo, especialmente quando a eficiência e a dissipação de potência são levadas em consideração.

O Wolfspeed CGHV14800F, um dispositivo de 1200 a 1400 MHz e 800 W, é representativo de alguns dos mais recentes PAs baseados em GaN. A combinação de eficiência, ganho e largura de banda desse PA HEMT é otimizada para amplificadores de radar de banda L pulsada, permitindo que os projetistas encontrem muitos usos em aplicações como controle de tráfego aéreo (ATC), meteorologia, antimísseis e sistemas de rastreamento de alvos. Usando uma alimentação de 50 V, ele oferece eficiência de dreno típica de 50% ou mais, e vem em um invólucro cerâmico de 10 × 20 mm com flanges de metal para resfriamento (Figura 7).

Figura 7: O invólucro cerâmico de 10 × 20 mm com flanges de metal do PA de GaN CGHV14800F de 1200 a 1400 MHz, 800 W, deve atender simultaneamente aos difíceis requisitos de RF e dissipação. Observe os flanges de montagem para aparafusar - e não soldar - o invólucro à placa de circuito impresso para garantir a integridade mecânica e térmica. (Fonte da imagem: Wolfspeed)

O CGHV14800F opera com uma fonte de alimentação de 50 V, normalmente fornecendo um ganho de potência de 14 dB com eficiência de dreno > 65%. Assim como ocorre com os LNAs, os circuitos de avaliação e os projetos de referência são essenciais (Figura 8).

Figura 8: O circuito de demonstração fornecido para o PA CGHV14800F requer pouquíssimos componentes além do próprio dispositivo, mas o layout físico e as considerações térmicas são fundamentais; o PA é preso à placa com parafusos e porcas (na parte inferior, não visíveis) por meio de flanges no invólucro que servem tanto para a integridade da montagem quanto para os objetivos térmicos. (Fonte da imagem: Wolfspeed)

Igualmente importante, entre as várias tabelas de especificação e curvas de desempenho, está a curva de degradação da dissipação de potência (Figura 9). Isso mostra o dimensionamento da potência de saída disponível em relação à temperatura do invólucro e indica que a potência máxima permitida é constante até 115⁰C e, em seguida, diminui linearmente até o dimensionamento máximo de 150⁰C.

Figura 9: Devido à sua função de fornecer potência, a curva de degradação de um PA é necessária para mostrar aos projetistas a redução da potência permitida na saída à medida que a temperatura do invólucro aumenta. Aqui, o dimensionamento de potência cai rapidamente após 115°C. (Fonte da imagem: Wolfspeed)

A MACOM também oferece PAs baseados em GaN, como o transistor de GaN NPT1007 (Figura 10). Sua faixa de frequência desde CC a 1200 MHz o torna adequado para aplicações de RF de banda larga e banda estreita. Normalmente, ele opera com uma única fonte de alimentação entre 14 e 28 V, proporcionando um ganho de sinal pequeno de 18 dB a 900 MHz. Ele foi projetado para tolerar uma incompatibilidade de SWR (relação de onda estacionária) de 10:1 sem degradação do dispositivo.

Figura 10: O PA de GaN NPT1007 da MACOM abrange a faixa de CC a 1200 MHz, o que o torna adequado para aplicações de RF de banda larga e banda estreita. Os projetistas recebem suporte adicional por meio de uma variedade de gráficos de ajuste da carga. (Fonte da imagem: MACOM)

Além dos gráficos que mostram os conceitos básicos de desempenho em 500, 900 e 1200 MHz, o NPT1007 é suportado por uma variedade de gráficos de ajuste da carga, para ajudar os projetistas de circuitos e sistemas que estão se esforçando para garantir um produto robusto (Figura 11). Os testes de ajuste da carga são feitos usando uma fonte de sinal combinada com um analisador de sinal (analisador de espectro, medidor de potência ou receptor vetorial).

O teste exige a variação da impedância conforme vista pelo dispositivo em teste (DUT) para avaliar o desempenho do PA (abrangendo fatores como potência de saída, ganho e eficiência), pois os valores de qualquer componente associado podem mudar devido a mudanças de temperatura ou como resultado de variações dentro das faixas de tolerância em torno de seus valores nominais.

Figura 11: O gráfico de ajuste da carga do PA NPT1007 vai além da tabela padrão de especificações mínimas/máximas/típicas para mostrar o desempenho do PA à medida que a impedância de carga se afasta do valor nominal, uma situação que ocorrerá no uso real devido às tolerâncias iniciais de produção e também ao desvio térmico. (Fonte da imagem: MACOM)

Independentemente do processo de PA usado, a impedância de saída do dispositivo deve ser totalmente caracterizada pelo fornecedor para que o projetista possa casá-la adequadamente com a antena para obter a máxima transferência de potência e manter a SWR o mais próximo possível da unidade. Esse circuito de casamento é composto principalmente de capacitores e indutores, que podem ser implementados como dispositivos discretos ou fabricados como parte da placa de circuito impresso ou até mesmo do encapsulamento do produto. Eles também devem ser projetados para sustentar os níveis de potência do PA. Novamente, o uso de ferramentas como a carta de Smith é essencial para entender e implementar o casamento de impedância necessário.

Devido ao pequeno tamanho da pastilha do PA e aos altos níveis de potência, o encapsulamento é um problema crítico. Conforme mostrado anteriormente, muitos PAs suportam a dissipação de calor por meio de amplas flanges e terminais do invólucro, bem como uma aba térmica abaixo do invólucro para atuar como um caminho para o cobre da placa de circuito impresso. Em níveis de potência mais altos (acima de cerca de 5 a 10 W), o PA pode ter uma capa de cobre para permitir que o dissipador de calor seja montado na parte superior, e podem ser necessárias ventoinhas ou outras técnicas avançadas de resfriamento.

Os dimensionamentos de potência e o tamanho pequeno associados aos PAs de GaN significam que a modelagem do ambiente térmico é fundamental. Obviamente, não é suficiente manter o próprio PA dentro dos dimensionamentos permitidos de temperatura para o invólucro ou a junção. O calor que for removido do PA não deve se tornar um problema para outras partes do circuito e do sistema. Deve-se levar em consideração a abordagem e a solução de todo o caminho térmico.

Conclusão

Os sistemas baseados em RF, que vão de smartphones a terminais VSAT e sistemas de radar de matriz em fase, estão pressionando os limites do desempenho do LNA e do PA. Isso fez com que os fabricantes de dispositivos fossem além do silício e explorassem o GaAs e o GaN para oferecer o desempenho necessário.

Essas novas tecnologias de processo estão fornecendo aos projetistas dispositivos com larguras de banda mais amplas, dimensões menores e maior eficiência. No entanto, os projetistas precisam entender os fundamentos da operação do LNA e do PA para pôr em prática de forma efetiva essas novas tecnologias.