Tirer le meilleur parti de processus originaux pour les LNA 5G

Par Bill Schweber

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Alors que le développement des réseaux sans fil 5G se poursuit, les performances du module d'entrée d'une radio sont de plus en plus critiques dans le trajet du signal du récepteur RF, particulièrement en ce qui concerne l'amplificateur à faible bruit (LNA). Avec l'émergence de nouvelles technologies de processus de fabrication pour les LNA, comme le silicium-germanium (SiGe), l'arséniure de gallium (GaAs) et le silicium sur isolant (SOI), les concepteurs doivent réévaluer les compromis à faire quant aux paramètres des LNA, comme le bruit, la sensibilité, la bande passante et la puissance, pour pouvoir les utiliser efficacement.

L'importance du circuit d'entrée n'est en rien exagérée, car celui-ci détermine les performances finales du système en cas de faible signal ainsi que le taux d'erreur sur les bits réalisable. Si les performances du LNA sont médiocres, les autres efforts de conception des circuits et de gestion des canaux de réception pour atteindre des performances 5G seront pour ainsi dire inutiles.

Cet article aborde l'état de la technologie 5G et les exigences qu'elle implique pour les performances des LNA. Il présente ensuite des solutions basées sur les derniers processus de fabrication qui permettent de répondre à ces exigences, et la manière d'en tirer pleinement parti.

L'état de la technologie 5G en quelques mots

Pas facile de faire court… Même si les spécifications 5G ont été finalisées, les travaux se poursuivent. De nombreuses fonctionnalités ambitieuses de la 5G restent à finaliser et nécessitent d'autres réunions, essais en situation réelle, et contribution de la part des fournisseurs de composants et des opérateurs sans fil, entre autres.

Toutefois, certains problèmes sont d'ores et déjà évidents : les conceptions 5G sont vouées à occuper de nouveaux blocs du spectre électromagnétique, bien que certaines implémentations initiales resteront en dessous de 6 GHz. La plupart des systèmes 5G fonctionneront dans des bandes à onde millimétrique, avec les bandes de 27 à 28 et de 37 à 40 GHz disponibles aux États-Unis. Il existe même quelques allocations préliminaires au-dessus de 50 GHz. En raison des défis techniques, les premières implémentations à onde millimétrique se feront dans la bande de 27 à 28 GHz.

Le rôle spécifique du LNA

Même si la spécification 5G offre de nombreuses options de modulation, de puissance, de débit de données et autres, la plupart ne sont pas vraiment utiles au LNA du canal de réception. Ce composant a une chose à faire, et doit la faire à la perfection : capturer et amplifier le faible signal corrompu par le bruit qui est envoyé par l'antenne, tout en ajoutant le moins de bruit possible. Par conséquent, il est important d'étudier tout d'abord le LNA en lui-même sans trop se soucier des problèmes liés aux spécifications supérieures, car leur évolution n'est pas terminée.

La principale spécification du LNA pour un fonctionnement acceptable dans une bande spécifiée est le facteur de bruit (NF), qui représente la quantité de bruit intrinsèque ajoutée par le LNA. Pour la 5G, en particulier lorsqu'on se rapproche de 28 GHz, il faut généralement un facteur de bruit compris entre 1 et 3 dB, même si un ou deux dB de plus peuvent être acceptables dans certaines situations. (Pour plus de détails sur les facteurs de bruit les plus courants, consultez l'article « Je comprends le facteur de bruit, mais comment le bruit peut-il avoir une "température" ? ».) Le gain doit généralement être compris entre 15 et 20 dB pour amplifier le signal reçu à un niveau exploitable par les amplificateurs, les filtres et la numérisation subséquents.

Enfin, les facteurs associés de linéarité de compression de 1 dB en sortie (OP1 ou P1dB) et d'interception de 3e ordre en sortie (OIP3) doivent être d'au moins -20 et -35 dBm, respectivement. Dans les bandes 5G inférieures, ces exigences sont moins strictes : environ -20 dBm pour OP1, et de -10 à -15 dBm pour OIP3. Notez qu'une valeur négative plus élevée indique de meilleures performances (-25 dBm est mieux que -20 dBm). Attention, de nombreuses fiches techniques omettent le signe négatif, ce qui peut prêter à confusion.

D'un point de vue fonctionnel, étant donné qu'il s'agit de « simples » amplificateurs, les LNA présentent un schéma fonctionnel très basique (généralement en triangle) et ne nécessitent que quelques sorties, en général entre six et huit. Conséquence de cette simplicité : leur boîtier est minuscule, entre 1 et 2 mm de chaque côté, voire moins pour la plupart.

Les nouveaux processus de fabrication font progresser les LNA vers la 5G

Il existe de nombreux LNA hautes performances conçus pour des fréquences plus basses de plusieurs GHz (comme les bandes de 2,4 et 5 GHz), mais ils ne répondent pas aux exigences complexes des circuits d'entrées 5G. Étant donné que les LNA en silicium semblent atteindre leurs limites de performances, de nouveaux matériaux semi-conducteurs et de nouveaux processus sont utilisés pour répondre aux différentes spécifications de performances exigeantes de la 5G. Même dans les bandes 5G inférieures, le silicium standard ne présente pas un facteur de bruit assez bas ni des valeurs OP1/OIP3 adéquates pour la 5G, avec ses niveaux de signaux de transmission et de réception plus faibles, par rapport aux normes sans fil existantes.

C'est pourquoi les fournisseurs ont investi massivement dans la recherche et le développement, ainsi que dans la production de masse de nouveaux processus basés sur le SiGe, le SOI et le GaAs, qui offrent une plus grande mobilité des électrons, des géométries plus compactes et moins de fuites.

Par exemple, grâce au processus SiGe, le LNA BGA8U1BN6 d'Infineon Technologies présente un facteur de bruit de 1,6 dB seulement, avec un OP1 compris entre 18 et 22 dBm, et un OIP3 compris entre 10 et 15 dBm. Il fonctionne entre 4 et 6 GHz, avec un gain de 13,7 dB.

De plus, le BGA8U1BN6 offre une fonctionnalité d'économie d'énergie grâce à laquelle il peut passer en mode dérivation, c'est-à-dire qu'il se contente de transmettre le signal d'entrée à la sortie, avec une perte d'insertion de 7,5 dB (Figure 1). Cette fonctionnalité est utile lorsque la puissance du signal reçu est élevée, car elle empêche la surcharge de l'étage suivant et fait passer le courant d'alimentation du LNA (avec une alimentation de 2,8 V) d'environ 20 mA à environ 100 µA, ce qui représente une économie considérable.

Schéma du LNA SiGe BGA8U1BN6 d'Infineon Technologies

Figure 1 : Le LNA SiGe BGA8U1BN6 d'Infineon Technologies comprend un mode dérivation qui sort le LNA du trajet du signal. Cela permet de réduire le gain et d'empêcher la surcharge et la saturation des étages suivants, tout en réduisant les exigences de courant. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Un mode dérivation est également disponible dans le SKY65806-636LF de Skyworks Solutions, un LNA SOI pour la bande de 3 400 à 3 800 MHz. Le gain est quasiment similaire à celui du dispositif d'Infineon, avec 13,6 dB, tandis que le facteur de bruit s'élève à seulement 1,2 dB. La tension d'alimentation est comprise entre 1,6 et 3,3 V, avec un courant de fonctionnement de seulement 3,85 mA. Tout comme le LNA d'Infineon, ce LNA de 50 Ω comprend une fonction de dérivation contrôlée par l'utilisateur.

Le LNA ADL5724 d'Analog Devices utilise également un processus SiGe pour un fonctionnement entre 12,7 et 15,4 GHz (Figure 2). Sa sortie différentielle équilibrée de 100 Ω convient parfaitement pour commander des convertisseurs abaisseurs différentiels et des convertisseurs analogique-numérique. Le gain typique est supérieur à 23,7 dB, tandis que le facteur de bruit typique est de 2,1 dB à 12,7 GHz et de 2,4 dB à 15,4 GHz.

Schéma du LNA SiGe ADL5724 d'Analog Devices

Figure 2 : Le LNA SiGe ADL5724 d'Analog Devices offre des sorties différentielles équilibrées qui prennent en charge une plus grande intégrité du signal entre le LNA et l'étage suivant de la chaîne de signaux. (Source de l'image : Analog Devices)

Étant donné que la plupart des LNA ne sont généralement pas déployés dans des environnements où la température est stable, la fiche technique de l'ADL5724 inclut des graphiques illustrant les facteurs de performances critiques par rapport à la température (Figure 3).

Graphiques du rapport entre la température et le gain (a), et la température et le facteur de bruit (b)

Figure 3 : Les performances d'un LNA dépendent de la température, comme indiqué par ces graphiques concernant le gain (a) et le facteur de bruit (b), en fonction de la fréquence, à -40°C, +25°C et +85°C. Notez qu'avec l'augmentation de la température, le gain diminue tandis que le facteur de bruit augmente. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour l'ADL5724, le gain diminue légèrement à mesure que la température augmente, alors que le facteur de bruit augmente. Ces performances sont typiques des LNA, quel que soit le processus de fabrication utilisé. Les concepteurs doivent tenir compte de ces variations lors de la modélisation et des simulations de performances de la chaîne de signaux dans les pires conditions.

Pour une plage dynamique élevée et un faible bruit, MACOM Technology Solutions Holdings (MACOM) propose le MAAL-011078, un LNA GaAs à un seul étage et à plage dynamique élevée, avec un facteur de bruit ultrafaible de seulement 0,5 dB à 2,6 GHz. Ce LNA présente également un gain de 22 dB et une haute linéarité de 33 dBm (OIP3) et de 17,5 dBm (P1dB). Le circuit intégré, qui couvre la bande de 700 MHz à 6 GHz, inclut une fonctionnalité supplémentaire : un circuit de polarisation actif intégré qui permet à l'utilisateur de définir son courant de polarisation (point de fonctionnement) par le biais d'une résistance externe. L'utilisateur peut ainsi adapter la consommation énergétique à l'application. Par exemple, il peut opter pour des performances légèrement inférieures pour un courant de fonctionnement plus faible (Figure 4).

Schéma du MAAL-011078 de MACOM qui permet aux utilisateurs de définir le courant de polarisation du LNA

Figure 4 : Le MAAL-011078 de MACOM permet aux utilisateurs de définir le courant de polarisation et le point de fonctionnement du LNA par le biais d'une résistance externe. Ils peuvent ainsi opter pour un courant de fonctionnement plus faible afin de modifier le facteur OIP3 (à gauche) et de réduire les performances P1dB (à droite) en fonction de la fréquence. (Source de l'image : MACOM)

Tirer le meilleur parti d'un LNA 5G

Après avoir choisi un LNA adapté à la technologie 5G, il y a des aspects à prendre en compte et des ajustements à faire pour implémenter une conception d'entrée 5G de manière à tirer pleinement parti de ce LNA. Étant donné que la fréquence de fonctionnement dépasse largement 5 GHz, et même 10 GHz, il convient de prendre en compte cinq facteurs majeurs, en plus du LNA en lui-même.

1 : Choix du matériau de la carte à circuit imprimé - Dans la plage des gigahertz, les pertes au niveau de la ligne de transmission à l'entrée et à la sortie du LNA constituent un facteur majeur. Cela concerne particulièrement l'entrée, car les pertes à l'entrée dégradent le rapport signal/bruit maximal réalisable et renforcent le bruit en sortie du LNA. Étant donné que la ligne de transmission de la plupart des conceptions est sous forme de ligne ruban directement sur la carte à circuit imprimé, la carte doit être constituée d'un matériau diélectrique à faible perte.

Le stratifié FR4 omniprésent est inadéquat à lui seul, c'est pourquoi les fournisseurs offrent une gamme de matériaux et de stratifiés alternatifs. Une carte très populaire utilise un stratifié spécial placé sur une base FR4 afin d'offrir un facteur de perte stable pour la ligne de transmission, mais avec la résistance sous-jacente du FR4 comme raidisseur.

N'oubliez pas qu'à ces fréquences, la carte à circuit imprimé doit être considérée comme un autre « composant » passif dans la conception du circuit, avec les parasites que cela implique. Par ailleurs, il faut également prendre en compte certaines subtilités comme le coefficient de température des caractéristiques primaires de la carte et ses parasites. Les fournisseurs de matériaux hautes performances pour les cartes à circuit imprimé fournissent ces données.

2 : Choix du condensateur - Des condensateurs à facteur Q élevé doivent être utilisés pour le circuit d'entrée et de sortie afin de maintenir un faible facteur de bruit à l'entrée et à la sortie du LNA. Les composants à faible facteur Q entraînent une dégradation du facteur de bruit de 0,2 dB à 1 dB. Les condensateurs NPO très répandus présentent un faible facteur Q et des pertes plus élevées, et doivent donc être évités. Les condensateurs ayant le facteur Q le plus élevé sont en porcelaine, mais ils coûtent cher. Il est possible de trouver une solution intermédiaire adaptée, en fonction de l'analyse des performances et des coûts.

3 : Dérivation de l'alimentation - Il s'agit d'un facteur bien connu, mais souvent négligé, alors mieux vaut le répéter. Une dérivation minutieuse du courant continu d'alimentation au niveau du circuit intégré et ailleurs est essentielle pour garantir des performances haute fréquence, stables et constantes. Les condensateurs de découplage choisis doivent avoir un minimum d'impédance aux fréquences requises afin d'optimiser les performances de découplage.

Par exemple, un condensateur de 1 000 pF n'est pas une bonne option pour un découplage haute fréquence. À 5 GHz, la fréquence propre d'un condensateur de 1 000 pF le fait agir comme une inductance, ce qui risque d'être contre-productif pour le découplage. Il vaut donc mieux placer un condensateur de faible valeur (typiquement de moins de 10 pF) à proximité du LNA. De plus, la conception doit inclure un découplage plus basse fréquence traditionnel avec une combinaison parallèle de condensateurs de 1 000 pF et de 0,01 µF. Ceux-ci ne doivent pas nécessairement être placés à proximité du LNA.

4 : Adaptation de l'entrée et de la sortie - De nombreux LNA présentent une impédance d'entrée et de sortie de 50 Ω, mais ce n'est pas le cas de tous. Même si c'est le cas, il se peut que le circuit qui commande le LNA et que le circuit commandé par la sortie du LNA n'aient pas une impédance de 50 Ω. Par conséquent, il convient de créer un circuit d'adaptation à l'aide de l'abaque de Smith et des paramètres S utilisés pour définir les options d'adaptation appropriées. Là encore, les composants passifs réactifs (inductances et condensateurs) utilisés aux fréquences 5G présentent différents types de parasites inévitables : internes, sur les composants à proximité et sur le circuit imprimé.

Les concepteurs ont trois obligations : choisir des composants d'adaptation conçus pour entraîner le moins de parasites possible à ces fréquences, s'assurer que les parasites inévitables sont entièrement caractérisés dans le contexte du placement des composants, et utiliser ces valeurs lors de la modélisation du circuit d'adaptation et ajuster les valeurs nominales en conséquence.

5 : Interconnexions de câbles - Certaines installations 5G nécessitent des interconnexions qui vont au-delà de la carte à circuit imprimé et de ses lignes rubans de transmission, et qui requièrent donc des câbles physiques. Si l'on utilise un interfaçage différentiel (comme c'est souvent le cas pour garder les circuits équilibrés et moins sensibles au bruit), ces interconnexions câblées peuvent nécessiter des paires de câbles à propagation adaptée, idéalement avec des caractéristiques de propagation identiques.

C'est pourquoi les câbles hautes performances pour les fréquences 5G atteignant 40 GHz et plus présentent souvent un retard de 1 ps. Ils sont vendus et utilisés par paires, et les deux câbles physiques incluent des « bandes de retenue » pour qu'ils restent associés en permanence, car ils ne peuvent pas être installés ni remplacés individuellement. L'utilisation de ces câbles permet au circuit différentiel d'atteindre les performances des LNA haut de gamme lors de la commande de l'étage suivant dans la chaîne de signaux.

Conclusion

La norme sans fil 5G repousse les fréquences de fonctionnement à un niveau plus élevé, de l'ordre de plusieurs GHz à plusieurs dizaines de GHz. Elle exige également des performances de plus faible bruit et de plus faible distorsion de la part du circuit analogique, en particulier de l'amplificateur à faible bruit. De nouvelles technologies de processus de fabrication des circuits intégrés, comme SiGe, SOI et GaAs, répondent à ces besoins. Cependant, les performances des LNA supérieurs peuvent être réduites si les réalités de la technologie RF à ces fréquences plus élevées ne sont pas suffisamment prises en compte.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Bill Schweber

Bill Schweber est ingénieur en électronique. Il a écrit trois manuels sur les systèmes de communications électroniques, ainsi que des centaines d'articles techniques, de chroniques et de présentations de produits. Il a auparavant travaillé en tant que responsable technique de site Web pour plusieurs sites spécifiques pour EE Times et en tant que directeur de publication et rédacteur en chef des solutions analogiques chez EDN.

Chez Analog Devices, Inc. (l'un des principaux fournisseurs de circuits intégrés analogiques et à signaux mixtes), Bill a œuvré dans le domaine des communications marketing (relations publiques). Par conséquent, il a occupé les deux côtés de la fonction RP technique : présentations des produits, des récits et des messages de la société aux médias, et destinataire de ces mêmes informations.

Avant d'occuper ce poste dans les communications marketing chez Analog, Bill a été rédacteur en chef adjoint de leur revue technique respectée et a également travaillé dans leurs groupes de marketing produit et d'ingénierie des applications. Avant d'occuper ces fonctions, Bill a travaillé chez Instron Corp., où il était chargé de la conception de circuits analogiques et de puissance, et de l'intégration de systèmes pour les commandes de machines de test de matériaux.

Il est titulaire d'un master en génie électrique (Université du Massachusetts) et d'un baccalauréat en génie électrique (Université Columbia). Il est ingénieur professionnel agréé, titulaire d'une licence de radioamateur de classe avancée. Bill a également organisé, rédigé et présenté des cours en ligne sur divers sujets d'ingénierie, notamment des notions de base sur les MOSFET, la sélection d'un CAN et la commande de LED.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key