שיקולים מעשיים בתיכון מגברי רעש נמוך

מאת: Adi Shieber, Yan Vainter, Freescale.  מגברי רעש נמוך – (Low Noise Amplifiers) ממלאים תפקיד מרכזי בביצועיהם של מקלטי רדיו. הצלחת תכן המקלט נמדדת על פי שלושה גורמים – רגישות, ברירוּת (סלקטיביות) ונטיית המקלט לשגיאות קליטה. מהנדס תיכון תדר רדיו (RF) פועל למיטוב ביצועי המערך הקדומני (front-end) של המקלט עם דגש מיוחד על הרכיב הפעיל הראשון. תיכון LNA מבוסס

על הבנת ההתקן הפעיל, התאמה, וייצור כנדרש לקבלת מגבר המגיע לביצועים מיטביים עם פשרות מזעריות.
להלן פרמטרי הרעש המשמשים במאמר זה לתיאור ביצועי הרעש של כל רשת בהינתן תדר, טמפרטורה ורמת הטיה כתלות ברשת התאמת המבוא:
– אדמיטנס אות המקור הדרוש לספרת רעש מזערית
– אדמיטנס בכניסה ל-LNA
– גורם הרעש המזערי המתרחש
ב-
– שווה ערך התנגדות רעש – רגישות ספרת הרעש לרשת המבוא המתואמת.
טופולוגיות נפוצות
של LNA
שלוש הטופולוגיות הנפוצות ביותר הן מבנה קסקודי (cascode), מקור משותף
(common-source), ושער משותף (common-gate). ההבדלים הכלליים בביצועים ובמאפיינים של שלוש הטופולוגיות האלה מתוארים בטבלה 1. מבין שלושת סוגי המגברים האלה, המגבר הקסקודי מספק הגבר גבוה יותר על פני רוחב פס רחב יותר ללא פגיעה ניכרת בספרת הרעש או ברגישות לתנאי ההפעלה. התוצאה היא פחות דרגות ב-LNA לעמידה בדרישות הגבר נתונות, וכן רמות נמוכות יותר של פיזור הספק ומורכבות תכן.
הטרנזיסטור משותף המקור (CS) הוא בגודל המבטיח את ספרת הרעש הנמוכה ביותר, אולם בדרך כלל על חשבון רגישות גבוהה יותר לתנאי ההפעלה. מגברים משותפי שער (CG) מאופיינים על ידי ספרות רעש נמוכות (במיוחד בתדרים נמוכים), אולם גם על ידי קיבול מקור-שפך (source-drain) גבוה שעליו נדרש להתגבר באמצעות משוב השראתי המשפר את ספרת הרעש, את ההגבר ואת היציבות בתדרים גבוהים יותר.
מגבר קסקודי משתמש במשוב תדר רדיו לקירוב אל התאמת מבוא צמודה
כנדרש להבטחת הגבר מרבי. הטרנזיסטור משותף השער (CG) נבחר בגודל המבטיח ליניאריות מיטבית, אולם המגבר הקסקודי נעשה גדול יותר מסכום כל חלקיו אם הטרנזיסטור משותף המקור מסוגל להבטיח עיוות מוקדם של מאפייני AM-PM של הטרנזיסטור משותף השער. מאפייני תכן אלה מקלים מאוד את מימוש ה-LNA ומשפרים את היציבות, את רוחב הפס ואת הליניאריות.

שיקולים ברמת ההתקן
ההתקנים הפעילים הנפוצים ביותר בשימוש ב-LNA מבוססים על טכנולוגיות תהליכים מסוג GaAs pHEMT ו-SiGe BiCMOS.
התקני GaAs מבטיחים הבדלי תחום קטנים יותר ולכן משפרים את ניידות האלקטרונים ואת הביצועים בתדר גבוה. התקני SiGe מגיעים לתדר שימושי מרבי בדומה לטכנולוגיות GaAS אולם מתח הפריצה שלהם נמוך יחסית. כמו כן הם משתמשים במצע המפיק התקנים פסיביים באיכות נמוכה יותר, כגון קווי תמסורת ומשרנים. עם זאת, לאף טכנולוגיית תהליכים אין יתרון ברור בכל ההיבטים של תכן ה-LNA, ולכן נדרש לשקול את היתרונות והחסרונות של כל אחת מהן בהקשר של היישום המסוים.
להבנת ההבדלים במימוש טכנולוגיות התהליכים השונות, מוצגים באיורים 1
ו-2 תכונותיהם של 31 LNA נפוצים לתחום תדרים של 1400 עד 2200 מגה-הרץ. איור 2 מציג פשרה בין ביצועי לביצועי ספרת רעש. ההתקנים המוצגים בפינה השמאלית העליונה מייצגים את השילוב הטוב ביותר בין ביצועי גבוהים לספרות הרעש הנמוכות ביותר. ההתקנים המוצגים בפינה הימנית התחתונה הם הפחות רצויים. איור 2 מתאר את יתרונה של טכנולוגיית GaAs pHEMT על פני SiGe.
יתרונותיהן של שתי טכנולוגיות התהליכים מתוארים באופן הטוב ביותר באיור 3, המציג את הפשרות בין ביצועי לביצועי צריכת ההספק.
התקני GaAs pHEMT שונים מאוד זה מזה מבחינת צריכת ההספק, בעוד שצריכת ההספק של התקני SiGe נמוכה הרבה יותר. LNA מסוג SiGe מגיעים לביצועי IP3 הגבוהים ביותר בסביבות dBm בעוד ש-LNA מסוג GaAs pHEMT מתחילים ברמה זו. ברור הוא שטכנולוגיית GaAs pHEMT עדיפה ביישומים הזקוקים לליניאריות הגבוהה ביותר בשילוב עם ספרות הרעש הנמוכות ביותר, בעוד שיישומים מופעלי סוללות יעדיפו את צריכת ההספק הנמוכה של LNA מסוג SiGe.
מעבר לבחירת טכנולוגיית התהליך, ביצועי ספרת הרעש של ה-LNA מושפעים במידה רבה מגודל הטרנזיסטור וממאפיינים פרזיטיים של המארז. לדוגמה, אצבעות שערי FET הצרות והקצרות יותר משפרות את ספרת הרעש על ידי הקטנת התנגדות השער ושיפור היציבות וההגבר בתדר גבוה. רוחב שער רחב יותר או שער רב אצבעות מגדילים את מוליכות הגומלין של הטרנזיסטור.
מאפיינים פרזיטיים של המארז גדלים
ככל שהתדר גדל. בתיכון ה-LNA, נדרש להגביל את המאפיינים הפרזיטיים של תיל ההארקה וכן את קיבול המארז ורפידת ההארקה כדי לצמצם את ההשפעה על התאמת העכבה במבוא, מוליכות הגומלין של הטרנזיסטור וספרת הרעש. ניתוב ואורך תיל ההארקה חייבים להיות מבוקרים היטב, והקיבול העצמי של תיל ההארקה יכול לשמש היטב לתיאום המבוא או ליצירת מקור הזנה שלילי.

שיקולים ברמת הכרטיס
תיכון LNA על כרטיס מעגל מודפס מבוסס על התייחסות למערך שונה של משתנים המשפיעים אף הם במידה רבה על ביצועי ה-LNA: הגדרת ההטיה, התאמת המבוא והמוצא, ומשוב תדר רדיו.
הגדרת ההטיה היא קריטית לתכן ה-LNA, ולכן המתכנן חייב להרשות פשרות בין ההגבר לספרת הרעש ולליניאריות כתלות בזרם השפך. רוב התקני MMIC ב-LNA כוללים מעגל הטיה פעיל משולב, המווסת את זרמי ההטיה על פני הרמות המשתנות של מתח האספקה, הטמפרטורה ומתח סף FET, אולם המתכנן עדיין נדרש לבחור הטיה כזאת שתבטיח את הפשרה הטובה ביותר בין ההגבר לספרת הרעש ולליניאריות עבור היישום המסוים.
ניקח, לדוגמה, את מאפייני ההטיה של
ה- מתוצרת פריסקייל. ספרת הרעש המיטבית ל-LNA זה נמצאת ב-9% של ה-ld (המרבי), ונקודת ההטיה הנדרשת להבטחת ההגבר המרבי נמצאת בסביבות 31% מה-ld (המרבי). נקודת ההטיה לביצועי מיטביים מתרחשת בקרבת 27% מה-ld (המרבי), והמתכנן נדרש לבחור נקודת הטיה כזאת שתאזן בין ביצועי לביצועי ההגבר וספרת הרעש. LNA
מתוצרת פריסקייל מתוכננים עם הגדרות הטיה מתכווננות המאפשרות פשרות חלופיות בין ספרות הרעש להגבר ול-.
תיאום המבוא מבוסס על כמה שיקולים חשובים. לדוגמה, ללא משוב או גודל מיטבי של הטרנזיסטור, ההתאמה המבוצעת להבטחת ספרת רעש מיטבית (Yopt) אינה עולה בקנה אחד עם ההתאמה הצמודה (Ysrc*=Yin). למזעור הפגיעה בספרת הרעש, יש למזער את מספר הרכיבים הנדרשים במבוא ה-LNA. רשת מבוא Q-גבוה תבטיח רמה מיטבית של ביצועי ספרת רעש והגבר הודות לאובדן המזערי שלה. עם זאת, רשתות Q-גבוה רגישות לשינויים בתהליך, במתח, בטמפרטורה ובערכי הרכיבים.
להקלת מימוש ה-LNA, המתכנן יגדיר גודל טרנזיסטור, משוב תדר רדיו ומאפייני פרזיטיות של המארז כנדרש להתכנסות של Yopt עם Yin. כאשר Yopt=Yin, המשתמש יקבל פשרה טובה הרבה יותר בין ספרת הרעש של המגבר להגבר ולאובדן מתח חוזר במבוא (input return loss – IRL).
לתיאום מוצא מיטבי, התיאום ל-IP3 מיטבי ולהגבר מרבי אף הן אינן מושגות בנקודה אחת. תיאום המוצא המבטיח פשרה נאותה בין ההגבר ל-IP3 ולאובדן מתח חוזר במוצא (ORL) מושג בשיטות של load-pulling, המשמשות למטרה זו גם במגברי הספק.
תכן מקלט רדיו המבוסס על LNA מסוג
MMIC פוטר את המשתמש מהצורך בידע, במיומנות או בציוד מיוחד – כנדרש בתכן LNA בדיד. עם זאת, המשתמש עדיין נדרש לאמת את שלמותו של כל התכן. שום תכן אינו שלם כל עוד לא נבדקה יציבותו של המגבר על פני הטווח המלא של תנאי ההפעלה שלו, ומתכננים טובים נוהגים להשתמש במעגלי יציבות לאימות עכבות המקור והעומס שנבחרו גם מעבר לרוחב התדר המסוים. יש לבדוק גם את יציבות האותות הגדולים וגם את יציבות האותות הקטנים. לאימות יציבות אותות גדולים, ניתן למדוד את מוצא ה-LNA באות מבוא המקביל לדחיסת הגבר של
dB , ויש לחקור את כל הרכיבים הספקטרליים המתרחשים כאות דרבון או גבנון ברצפת הרעש, ושלא ניתן להסבירם כעיוות אותות.
אי יציבות של המגבר נגרמת בדרך כלל כתוצאה מאחד מהמצבים הבאים:
רמה בלתי מספקת של ביטול צימוד תדר רדיו בין קווי האספקה של דרגות מגבר עוקבות, המייצרת נתיב למשוב חיובי
השראות פרזיטית גבוהה מדי או הגבר החורג מהתחום
רמה בלתי מספקת של ביטול צימוד בין קווי האספקה
צימוד אלקטרומגנטי לתוך ה-LNA, המתוקן בדרך כלל באמצעות סיכוך.
תיקון היציבות מבוצע בדרך כלל באמצעות משוב תדר רדיו לסינון הגבר החורג מהתחום. כמו כן ניתן להיעזר בניחות התנגדותי. הגיוני יהיה להשתמש בשיטות ייצוב הגורמות להפסדים רק אחרי שנעשה שימוש בשיטות סינון ומשוב. התנגדות במוצא עדיפה תמיד על פני התנגדות במבוא.
במגבר משותף מקור, ניתן לבצע דעיכת מקור השראתית עם בחירה זהירה של מידת השראות המקור, כדי לספק משוב שלילי. שיטה זו משפרת את היציבות ואת הליניאריות של המגבר על חשבון ההגבר, במיוחד בתדרים גבוהים יותר. משוב רב מדי או מועט מדי יפגע ביציבות ובביצועים. ההשראות משנה את האדמיטנס המותרת של המבוא לתוך ה-LNA ולמעשה מקרבת את Yin ל-Yopt בדיאגרמת סמית’, ולכן מקלה את מציאת התאמת הרעש הסבירה.
לתיכון LNA נדרשת הבנה מתוחכמת של תכונות הטרנזיסטור ושל יתרונותיה הניתנים למימוש של כל אחת מטכנולוגיות תהליכי המוליכים למחצה הקיימות. בכל רמת תכן, קיים מערך של משתנים העשויים להשפיע במידה ניכרת על ביצועי ה-LNA. מתכנן ה-LNA הוא האחראי לאיזון בין הפשרות השונות ולמזעור רגישויות לתנאי ההפעלה, וכן להבטחת התקן קל למימוש המסוגל לעמוד בדרישות השונות של יישומי היעד. יחד עם זאת, היעד המרכזי של האתגר העומד בפני מתכנן ה-LNA הוא לספק פתרון MMIC העומד בדרישות היישומים באופן הפשוט ביותר האפשרי.