Kaksiasteisen RF-tehovahvistimen hyötysuhdetta voidaan merkittävästi parantaa hyödyntämällä ohjainosassa matalajännitteistä tehonsyöttöä. Samalla voidaan välttää ohjaimen ja pääteasteen välinen impedanssinsovitus. Näin piirin fyysinen kokokin pienenee ja kustannukset alenevat.
| Artikkelin kirjoittajat Mustafa Acar, Osman Ceylan, Felicia Kiebler, Sergio Pires ja Stephan Maroldt toimivat Ampleon-yhtiössä RF-suunnittelun asiantuntijoina. Ampleon syntyi vuonna 2015, kun NXP:n ja Freescale Semiconductorin RF-liiketoiminnat yhdistettiin. |
Langattoman datansiirron yleistyminen lisää kysyntää tietoliikennejärjestelmille, jotka pystyvät välittämään entistä enemmän informaatiota yhä energiatehokkaammin. Niiden avulla voidaan leikata järjestelmien käyttökuluja ja pidentää mobiililaitteiden akunkestoa.
Erityisesti RF-lähettimen tehovahvistimelle (PA) on haastavaa vastata molempiin vaatimuksiin, sillä sen tulisi yltää korkeaan keskimääräiseen hyötysuhteeseen ja samaan aikaa päästä myös korkeaan PAR-tehosuhteeseen (Peak-to-Average-Power), mitä uusimpien mobiiliverkkostandardien monimutkaiset laajakaistamoduloinnin menetelmät edellyttävät.
RF-tehovahvistimen ohjainosan ja pääteasteen hyötysuhteet määräävät yhdessä koko vahvistimen keskimääräisen hyötysuhteen.
Ampleon on kehittänyt erittäin korkeaan hyötysuhteeseen yltävän kaksiasteisen RF-tehovahvistimen. MMIC-piirin muotoon (Monolithic Microwave IC) integroitu vahvistinpiiri hyödyntää ohjaimena alhaisella jännitteellä toimivaa GaN-transistoria. Tämän ansiosta koko tehovahvistimen hyötysuhde saadaan nostettua korkealle tasolle vähentämällä ohjainasteen tehonkulutusta. Samalla saadaan poistettua impedanssinsovituksen tarve ohjaimen ja pääteasteen välillä.
MMIC-piirin pääteaste on päätetty E-luokan QLI-kuormituspiirillä (Quasi Load-Insensitive), joka tarjoaa hyvin korkean hyötysuhteen huolimatta kuormamodulaation aiheuttamista laajoista tehovaihteluista vahvistimen lähdössä. Kuormituspiiri on pakattu tavanomaiseen RF-piirikoteloon hyödyntäen samalla bondattujen liitosjohtojen induktansseja ja kotelojohtimien kapasitansseja.
Kuormitusmittaukset osoittavat, että tehovahvistimen hyötysuhde säilyy yli 70 prosentin tasolla huolimatta kuormamodulaation laajoista vaihtelualueista, kuten lähtötehon 8 desibelin vaihtelusta. Hyvällä tasolla säilyvä hyötysuhde tekee vahvistimesta erittäin käyttökelpoisen kaikissa kuormamodulaatiota käyttävissä PA-arkkitehtuureissa kuten Doherty- ja Outphasing-tekniikoissa.
MMIC-piirin demoamista varten tehtiin oma piirilevy. Järjestelmän lineaarivahvistukseksi mitattiin noin 27 dB hyötysuhteen ollessa parhaimmillaan 76 prosenttia, kun lähtöteho oli 2,14 gigahertsin taajuudella 35,4 dBm. Ohjainasteen ja pääteasteen syöttöjännitteet olivat 5,5 ja 25 volttia. Demonstraatiossa tuloasteeseen syötettiin WCDMA-standardin mukaista signaalia, joka sisältää VS-GMP DPD -algoritmin (Vector-Switched Generalized Memory Polynomial Digital Pre-Distortion). Viereisen kanavan vaimennussuhteeksi saatiin –52,4 dBc, kun keskimääräinen lähtöteho oli 29,4 dBm.
Piirin arkkitehtuuri
Kuvassa 1 nähdään sekä perinteisen RF-tehovahvistimen (vas.) että matalajännitteiseen ohjaimeen perustuvan uuden vahvistimen piirikaaviot.
Kuva 1. Vasemmalla korkean syöttöjännitteen ohjaimeen perustuva perinteinen RF-tehovahvistin, oikealla matalajännitteiseen ohjaimeen perustuva uusi vahvistin.
Perinteisessä lähestymistavassa käytetään samaa syöttöjännitettä sekä ohjaimelle että pääteasteelle. Tämän vuoksi tehovahvistimeen tarvitaan impedanssinsovituspiiri ohjaimen ja pääteasteen välille. Käyttämällä matalaa syöttöjännitettä ohjaimelle sen lähtöimpedanssi saadaan alennettua riittävästi niin, ettei tehovahvistimen osien välille tarvita sovituspiiriä lainkaan, minkä ansiosta vahvistimen tehohäviöt vähenevät. Matalampi syöttöjännite alentaa myös ohjainosan tehonkulutusta, mikä edelleen parantaa koko tehovahvistimen hyötysuhdetta. Kun ohjaimen ja pääteasteen välisestä sovituspiiristä päästään eroon, MMIC-piirin fyysistä kokoa voidaan pienentää, mikä alentaa vahvistimen kokonaiskustannuksia.
Kuvassa 2 verrataan korkeajännitteiseen ohjaimeen perustuvan perinteisen ja matalajännitteiseen ohjaimeen perustavan uuden RF PA -ratkaisun kokonaishyötysuhdetta simulaatiossa. Vaikka simuloitu DE-hyötysuhde (Drain Efficiency) on kummallakin rakenteella lähes samaa tasoa, merkittävä ero nähdään kuitenkin PAE-hyötysuhteessa (Power Added Efficiency).
Kuva 2. Perinteisen ja uuden vahvistinrakenteen vertailussa simuloimalla saatu DE-hyötysuhde (ylempi) ja PAE-hyötysuhde (alempi), kun tehovahvistin toimii 2,14 gigahertsin taajuudella.
Kaksiasteinen GaN HEMT MMIC
MMIC-piiri valmistettiin kaksiasteiseksi vahvistimeksi käyttämällä Fraunhoferin IAF 0,25 μm GaN HEMT -teknologiaa moniprojektisella piikiekolla. Ohjainosan hilanleveydeksi tuli 0,488 mm ja pääteasteen hilanleveydeksi 2,4 mm. Päätetransistori ja ohjaintransistori integroitiin piikiekolle yhdessä AC-kytkentäkondensaattorin ja hilan biasointivastusten kanssa, kuten kuvasta 3 nähdään.
E-luokan QLI-kuormituspiiri
MMIC-piirin pääteaste on päätetty E-luokan QLI-kuormituspiirillä, jotta korkea hyötysuhde säilyisi huolimatta kuormamodulaation aiheuttamista laajoista tehovaihteluista vahvistimen lähdössä.
MMIC ja sen QLI-kuormituspiiri asennettiin Ampleonin keraamiseen SOT1112A-standardikoteloon. Bondattuja liitosjohtoja hyödyntäen muodostettiin samalla 4,9 nH induktanssi L1 ja kotelojohtimien avulla 1,5 pF kapasitanssi C1.
Kuva 3. MMIC-vahvistimen ja sen kuormitusverkon piirikaavio.
Kuvassa 4 nähdään koteloidun MMIC-vahvistimen hyötysuhde kuormitusmittauksessa. Se osoittaa, että vahvistin säilyttää korkean hyötysuhteensa kuormituksen vaihdellessa laajasti.
Kuva 4. Matalajännitteiseen ohjaimeen perustuvan MMIC-tehovahvistimen DE-hyötysuhde ja PAE-hyötysuhde pulssimuotoisessa kuormituksessa 2,14 gigahertsin taajuudella.
Demolevyn rakentaminen ja testaus
Matalajännitteiseen ohjaimeen perustuvan lähestymistavan tuomien etujen varmistamiseksi MMIC-piiriä varten suunniteltiin piirilevy, jonka lähtöasteen impedanssi viritettiin samalle tasolle, jolla MMIC yksinään saavutti suurimman hyötysuhteensa aiemmin mainitussa kuormitusmittauksessa.
Piirilevy valmistettiin käyttämällä substraattina Rogersin RO4350B-materiaalia. Levy nähdään kuvassa 5 biasointi- ja sovituskomponentteineen.
Kuva 5. Valmiiksi asennetun tehovahvistimen kaikki komponentit piirilevyllä arvoineen.
Kuvassa 6 nähdään valmiin tehovahvistimen DE-hyötysuhde ja PAE-hyötysuhde mitattuna 2,14 GHz jatkuva-aaltoisella signaalilla. PAE-lukema on parhaimmillaan 76 %. Ohjaimen tehonkulutus on niin vähäinen, että DE- ja PAE-hyötysuhteiden välinen ero on täysin vähäpätöinen sekä alhaisilla että korkeilla tehotasoilla. Mitattu piensignaalivahvistus on 27 desibeliä 2,14 gigahertsin taajuudella.
Kuva 6. Lopullisesta vahvistinpiiristä mitattu vahvistus, DE-hyötysuhde (musta viiva) ja PAE-hyötysuhde (punaiset neliöt).
Mallikas ratkaisu
Matalajännitteistä ohjainastetta hyödyntämällä voidaan RF-tehovahvistimen kokonaishyötysuhde nostaa korkealle tasolle, kun vahvistinpiirissä sovelletaan galliumnitridiin (GaN) pohjautuvaa 0,25 μm HEMT-teknologiaa (High Electron Mobility Transistor). Mittaukset osoittavat, että matalajännitteiseen ohjaintransistoriin perustuva MMIC-vahvistinpiiri asennettuna yhdessä E-luokan QLI-kuormitusverkon kanssa samaan RF-koteloon muodostaa RF-tehovahvistimen, jonka hyötysuhde säilyy yli 70 prosentin tasolla, vaikka lähtötehon vaihtelualue olisi jopa 8 desibeliä. Tämä tekee vahvistimesta mainion vaihtoehdon kaikkiin PA-arkkitehtuureihin, jotka perustuvat kuormamodulaatioon, jota sovelletaan muun muassa Doherty- ja Outphasing-tekniikoissa.
