ワイヤレス設計における低ノイズおよびパワーアンプの基礎を理解する

著者 Bill Schweber

Electronic Products の提供

性能、小型化、より高い周波数動作の推進は、ワイヤレスシステムの2つの重要なアンテナ接続コンポーネント(パワーアンプ(PA)と低ノイズアンプ(LNA))の限界に挑んでいます。 このシフトは、5G現実化への取り組みや、VSAT端末、マイクロ波無線リンク、および位相アレイレーダシステムでのPAおよびLNAの使用によって促進されています。

これらのアプリケーションには、(LNA向けの)より低いノイズ、(PA向けの)効率の向上や、最大10GHzおよび10GHzを超えるより高い周波数での動作を含む要件があります。 これらの増大する要件を満たすために、LNAおよびPAメーカーは、従来の全シリコンプロセスから、LNA向けのガリウムひ素(GaAs)およびPA向けの窒化ガリウム(GaN)に向けて移行しています。

この記事では、一般的なGaAsおよびGaNデバイスや、それらのデバイスを使用した設計の際の留意事項についてご紹介する前に、LNAやPAの役割および要件やそれらの主要な特性について述べます。

LNAの重要な役割

LNAの機能は、通常マイクロボルトの大きさかまたは-100dBmを下回る値の、極めて弱く、不確かな信号をアンテナから取得し、それを約0.5ボルトから1ボルトまでのより有用なレベルに増幅することです(図1)。 これを正しくとらえるために、50Ωのシステムで、10μVは-87dBmで100μVが-67dBmに等しいと考えることができます。

このゲイン自体を提供するのは現代のエレクトロニクスにおいて大きな課題ではない一方で、弱い入力信号にLNAが追加する可能性があるノイズによって大きく損なわれます。 このノイズは、LNAが追加する増幅のいかなる利点をも圧倒する可能性があります。

受信経路のLNAおよび送信経路のPAの図

図1:受信経路の低ノイズアンプ(LNA)および送信経路のパワーアンプ(PA)は、デュプレクサを介してアンテナに接続され、このデュプレクサが2つの信号を分割して、高感度LNA入力に比較的強力なPA出力が負荷をかけすぎることを防止します。 (画像提供:Digi-Key Electronics)

LNAは、未知の世界で機能することに注目してください。 レシーバチャンネルのフロントエンドとして、対象の帯域幅内でアンテナがもたらす非常に低電力の低電圧信号に加えて、関連するランダムノイズをキャプチャし、増幅する必要があります。 信号理論において、これは未知の信号/未知のノイズ課題と呼ばれており、信号処理におけるすべての課題の中で最も難しいものです。

LNAの場合、1次パラメータは雑音指数(NF)、ゲイン、そして直線性です。 ノイズは熱およびその他ソースによるもので、標準雑音指数は0.5~1.5dBの範囲にあります。 標準ゲインは、単一段で10dB~20dBです。 いくつかの設計では、カスケード接続されたアンプが使用されます。これらのカスケード接続されたアンプは、低ゲイン、低NF段、その後により高いNFを持つ可能性がある高ゲイン段を備えていますが、これは、初期信号が「ゲインアップ」されるとあまり重要ではなくなります。 (LNA、ノイズ、およびRFレシーバの詳細は、TechZoneの記事「低ノイズアンプは、レシーバ感度を最大化」をご覧ください。)

LNAにとって、非直線性はもう1つの問題です。この理由は、結果として発生する高調波および相互変調歪みにより、受信された信号が損なわれ、十分に低いビット誤り率(BER)で復調しデコードするのがより困難になるためです。 直線性は通常、3次インターセプトポイント(IP3)で特徴付けられます。このIP3は、3次非線形項によってもたらされた非線形積を、直線的に増幅された信号と関連付けます。IP3の値が高いほど、アンプ性能の直線性が高くなります。

LNAでの消費電力および効率は一般的に、第一の関心事ではありません。 元来、ほとんどのLNAは、10mA~100mAの電流消費を持つ非常に低電力のデバイスであり、負荷に電力を提供するのではなく、後続の段に電圧ゲインを提供しています。 また、システム内には1つまたは2つのLNAチャンネルしかないため(後者は通常、Wi-Fiおよび5Gインターフェース用などのダイバーシティアンテナ設計で使用されます)、より低電力のLNAからの電力節約はあまり大きくないでしょう。

動作周波数および帯域幅以外で、LNAには比較的多くの機能的類似性があります。 いくつかのLNAにはまた、過負荷および飽和なしで入力信号の幅広いダイナミックレンジをアンプが処理することができるように、ゲイン制御が含まれています。 このように幅広く変動する入力信号強度は、基地局~電話間経路の損失が単一の接続サイクル中でも広範囲を持つ可能性があるモバイルアプリケーションにおいて一般的に発生します。

LNAへの入力信号、およびLNAからの出力信号のルーティングは、その部品自体の仕様と同様に重要です。 したがって、設計者は、高度なモデリングおよびレイアウトツールを使用して、可能性のあるLNAのフル性能を実現する必要があります。 優れた部品は、不十分なレイアウトまたはインピーダンス整合によって容易に劣化する可能性があるため、シミュレーションおよび解析ソフトウェアをサポートするための回路の信頼できるモデルとともに、ベンダーが提供するスミス図表を使用することが重要です(「スミス図表:RF設計で今もなお不可欠な『古代の』グラフィカルツール」をご覧ください)。

これらの理由で、GHz範囲で動作する高性能LNAのほぼすべてのベンダーは、レイアウト、コネクタ、接地、バイパス、パワーを含むテスト設定のあらゆる側面が重要であるため、評価ボードまたは検証されたプリント基板レイアウトを提供します。 これらのリソースがないと、設計者は、アプリケーションで部品の性能を評価しようとして時間を無駄にしてしまうでしょう。

GaAsベースのLNAの例として、HMC519LC4TRがあります。この製品は、Analog Devicesが提供する18~31GHz pHEMT(シュードモルフィック高電子移動度トランジスタ)デバイスです(図2)。 このリードレス4 × 4mmセラミック面実装パッケージは、低い3.5dBの雑音指数および+23dBmの高IP3とともに、14dBの小さな信号ゲインを提供します。 この製品は、+3Vの単一電源から75mAを消費します。

Analog Devicesが提供するHMC519LC4TR GaAs LNAの図

図2:HMC519LC4TR GaAs LNAは、18~31GHzの低レベル入力向けに低ノイズでゲインを提供します。パッケージのほとんどの接続は、電源レール用、グランド用、または未使用です。 (画像提供:Analog Devices)

シンプルな機能ブロック図から、指定されたVddでの3つの電源レールフィードでの低寄生を備えた適切なRFバイパスの提供に必要とされる異なる値やタイプの複数の外部コンデンサへの設計の進歩があります(図3)。

Analog Devicesが提供するHMC519LC4TR LNAの図

図3:実世界のアプリケーションで、低周波数フィルタリング向けのバルク静電容量と、RF寄生を最小化するためのRFバイパス向けのより小さな値のコンデンサの両方を提供するために、HMC519LC4TR LNAには、すべて同じ電圧定格で、電源レールで複数のバイパスコンデンサが必要です。 (画像提供:Analog Devices)

この強化された回路図は、評価ボードにつながり、これは、非FR4プリント基板材料の使用を含むレイアウトとBOMの両方を詳述しています(図4(a)および4(b))。

基板レイアウト回路図の画像

図4(a)

LNA BOMの画像

図4(b)

図4:これらのLNAフロントエンドが動作する高周波数、およびそれらがキャプチャする必要がある低レベル信号を考慮すると、詳しい、テストされた評価設計が不可欠です。 これには、受動部品およびプリント基板材料(b)の詳細とともに、(示されていない)回路図、基板レイアウト(a)、およびBOMが含まれます。 (画像提供:Analog Devices)

さらに高い周波数向けのGaAs LNAはMACOMMAAL-011111で、この製品は22~38GHz動作をサポートします(図5)。 この製品は、2.5dBの雑音指数とともに、19dBの小さな信号ゲインを提供します。 このLNAは単一段デバイスのように見えますが、内部的には実際に3つのカスケード接続された段を有しています。 最初の段は、最小ノイズおよび中程度のゲイン向けに最適化されている一方で、後続の段は追加のゲインを提供します。

MACOMが提供するMAAL-011111 LNAの図

図5:ユーザーにとって、MAAL-011111 LNAは単一段のアンプに見えますが、内部的には、出力で有意なゲインを追加しながら、入力~出力信号経路SNRを最大化するように設計された一連のゲイン段を使用します。 (画像提供:MACOM)

Analog DevicesのLNAと同様に、MAAL-011111は単一の低電圧電源のみが必要で、わずか3 × 3mmで小型の製品です。 ユーザーは、3.0~3.6Vの異なる値でバイアス(電源)電圧を設定することで、いくつかの性能仕様を調整し、トレードオフすることができます。提案される基板レイアウトは、適切なインピーダンス整合とグランドプレーン性能の維持に必要とされる重要なプリント基板銅の寸法を示します(図6)。

MACOMが提供するMAAL-011111レイアウトの図

図6:MACOMのMAAL-011111を最大限に活用するための提案されるレイアウトで、また、入力および出力インピーダンス整合を提供します。 インピーダンス制御送信ラインや、低インピーダンスグランドプレーン向けのプリント基板銅の使用に注目してください(寸法はミリメートル単位)。 (画像提供:MACOM)

PAはアンテナを駆動

LNAの困難な信号キャプチャの課題とは対照的に、PAは非常に高いSNRを備え、比較的強力な信号を回路から取得し、パワーをブーストする必要があります。 振幅、変調、形状、デューティサイクルなどの信号に関するすべての一般的な要因が知られています。 これは信号処理マップの既知信号/既知ノイズ象限であり、最も管理しやすいものです。

PA用の1次パラメータは、対象の周波数での電力出力で、標準PAゲインは、+10dB~+30dBにわたります。 ゲインに加えて、効率は他に重要なPAパラメータですが、効率のすべての評価は、ブーストされる信号の使用モデル、変調、デューティサイクル、許容可能な歪み、およびその他の側面によって複雑化します。 PA効率は30%~80%の範囲ですが、これは多くの要因に大きく依存します。 同等に重要なPA直線性は、LNAの場合と同様にIP3によって判断されます。

多くのPAは、(最大約1~5Wの)より低電力レベルでCMOS技術を使用している一方で、近年、他の技術が発達し、こうした他の技術は特に、電池寿命や熱に関する考慮事項にとって効率が重要であるより高電力レベルで広く使用されるようになっています。 GaNを使用するPAは、数ワット以上の値が必要とされる、より高電力レベルで、かつより高周波数(一般的に1GHzを超える周波数)で効率向上を実現します。 GaN PAは、特に効率や消費電力が考慮される時にコスト競争力があります。

最新のGaNベースのPAのいくつかを代表する製品として、Cree/Wolfspeedが提供するCGHV14800Fがあります。この製品は1200~1400MHz、800Wデバイスです。 このHEMT PAが提供する効率、ゲイン、および帯域幅の組み合わせは、パルスL帯域レーダアンプ向けに最適化されているため、設計者は、航空交通管制(ATC)、天候、対ミサイル、ターゲットトラッキングシステムなどのアプリケーションで多くの用途を見つけることができます。 これは、50V電源を使用して、50%以上の標準ドレイン効率を提供し、冷却用のメタルフランジを備え、10 × 20mmのセラミックパッケージで提供されます(図7)。

Cree/Wolfspeedが提供するCGHV14800Fの画像

図7:1200~1400MHz、800W GaN PAであるCGHV14800Fのメタルフランジを備えた10 × 20mmセラミックパッケージは、RFおよび熱放散に関する困難な要件を同時に満たす必要があります。 はんだ付けではなく、ネジ止め用の取り付けフランジ、機械的および熱的完全性のためのプリント基板へのパッケージに注目してください。 (画像提供:Cree/Wolfspeed)

CGHV14800Fは、50V電源で動作し、65%を超えるドレイン効率を備え、標準で14dBのパワーゲインを提供します。 LNAと同様に、評価回路およびリファレンス設計が不可欠です(図8)。

CGHV14800F PA向けに提供されたCreeデモンストレーション回路の画像

図8:CGHV14800F PA向けに提供されたデモンストレーション回路は、デバイス自体の他にほんのわずかのコンポーネントしか必要としませんが、物理的レイアウトおよび熱に関する考慮事項は重要です。PAは、取り付けの完全性と熱の目標に対応するパッケージフランジを介して、(下部にある見えない)ネジとナットで基板に保持されます。 (画像提供:Cree/Wolfspeed)

多くの仕様表や性能曲線の中で同様に重要なのは、消費電力ディレーティング曲線です(図9)。 これは、利用可能な電力出力定格対ケース温度を示し、最大許容電力が115°Cまで一定で、その後、150°C最大定格まで直線的に低下することを示します。

PAのディレーティング曲線のグラフ

図9:電力供給における役割により、PAのディレーティング曲線は、ケース温度上昇時の許容出力電力の低減を設計者に示すために必要とされます。 ここで、電力定格は、115°Cの後に急速に低下します。 (画像提供:Cree/Wolfspeed)

また、MACOMは、NPT1007 GaNトランジスタなどのGaNベースのPAを提供します(図10)。 DC~1200MHzのその周波数範囲により、広帯域と狭帯域の両方のRFアプリケーションに適しています。 それは、標準で14~28Vの単一電源で動作し、900MHzで18dBの小さな信号ゲインを提供します。 それは、デバイスの劣化なしで、10:1のSWR(定在波比)ミスマッチを許容するように設計されています。

MACOMが提供するNPT1007 GaN PAの画像

図10:MACOMのNPT1007 GaN PAは、DC~1200MHzの周波数範囲により、広帯域と狭帯域の両方のRFアプリケーションに適しています。 設計者は、負荷プルのさまざまなグラフを通して追加のサポートを得ることができます。 (画像提供:MACOM)

500、900、および1200MHzでの基本性能を示すグラフに加えて、NPT1007は、堅牢な製品を確保することに努めている回路およびシステム設計者を支援する「負荷プル」のさまざまなグラフによってサポートされます(図11)。負荷プルテストは、ペアの信号源および信号アナライザ(スペクトラムアナライザ、パワーメータ、またはベクトルレシーバ)を使用して行われます。

このテストでは、温度のシフトによるあらゆる関連コンポーネント値が変化する可能性があるため、または公称値あたりの許容差範囲内での変動の結果として、(出力電力、ゲイン、効率などの要因をカバーする)PAの性能を評価するのに、テスト中のデバイス(DUT)によって見られるように、インピーダンスの変動が必要です。

MACOM NPT1007 PAの負荷プルグラフの画像

図11:NPT1007 PAの負荷プルグラフは、最小/最大/標準仕様を示す標準の表を超え、初期の生産の許容差や熱ドリフトにより実際の使用で起こる状況である、負荷インピーダンスが公称値から移行する際のPA性能を示します。 (画像提供:MACOM)

使用されるPAプロセスにかかわらず、デバイスの出力インピーダンスは、設計者が最大電力伝達のためにPAの出力インピーダンスをアンテナに適切に整合でき、そしてSWRを可能な限りユニティに近い値で維持できるように、ベンダーによって十分に特徴付けられる必要があります。 この整合回路は、主にコンデンサおよびインダクタから構成されており、これらは、ディスクリートデバイスとして実装されているか、またはプリント基板または製品パッケージングの一部として製作されている可能性があります。 また、それらも、PAの電力レベルを維持するように設計されている必要があります。 スミス図表のようなツールの使用は、必要とされるインピーダンス整合の理解と実装に不可欠です。

PAの小さいダイサイズおよび高い電力レベルにより、パッケージングが重要な問題となります。 前述のように、多くのPAは、広い放熱パッケージリードおよびフランジや、プリント基板銅へのパスとして機能するためのパッケージの下の熱スラグを介したヒートシンキングをサポートします。 より高電力レベル(約5W~10Wを超える電力レベル)で、PAはヒートシンクをトップにマウントできる銅キャップを有し、ファンまたは他の高度な冷却技術が必要となる可能性があります。

GaN PAに関連する電力定格および小型サイズは、熱環境のモデリングが重要であることを意味します。 もちろん、PA自体を許容可能なケースまたは接合温度定格内で維持するだけでは十分でありません。 PAから取り除かれる熱は、回路およびシステムの他の部品にとって問題となってはいけません。 全体の熱経路について対処し、解決することを考慮に入れる必要があります。

結論

スマートフォンから、VSAT端末や位相アレイレーダシステムに及ぶRFベースのシステムは、LNAおよびPA性能の限界を押し広げています。 これは、シリコンを超えて、必要な性能を提供するためにGaAsやGaNを探求するようにデバイスメーカーを駆り立てています。

これらの新しいプロセス技術は、より広い帯域幅、小型のフットプリント、効率の向上を実現するデバイスを設計者に提供しています。 しかしながら、設計者は、これらの新技術を効果的に適用するために、LNAおよびPA動作の基礎を理解する必要があります。

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