5G LNA를 위한 실험적 공정 최대한 활용하기

5G 무선 네트워크 개발이 계속되면서 RF 수신기 신호 경로에서 특히 저잡음 증폭기(LNA)와 관련하여 무선 통신 프런트 엔드의 성능이 점점 더 중요해지고 있습니다. 실리콘 게르마늄(SiGe), 갈륨 비소(GaAs), 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 등과 같이 LNA를 위한 새로운 공정 기술의 출현으로 설계자는 잡음, 감도, 대역폭, 전력 등 LNA 파라미터를 효율적으로 활용하기 위해 성능 트레이드 오프를 재평가해야 합니다.

프런트 엔드에 따라 약한 신호 상황 및 실현 가능한 비트 오류율과 관련한 최종 시스템 성능이 결정되므로 프런트 엔드의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. LNA 성능이 저하될 경우 회로망 및 수신 채널 관리 부문에서 5G 성능 충족을 위한 나머지 설계 노력은 별로 소용이 없게 됩니다.

이 기사에서는 5G의 상태와 LNA 성능에 관한 5G의 요구 사항을 설명합니다. 그런 다음 이러한 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되는 최신 공정을 사용하는 솔루션을 소개하고 해당 솔루션을 최대한 활용할 수 있는 방법을 설명합니다.

5G 현황

이에 대해 간단하게 설명하기는 어렵지만 한번 해 보겠습니다. 5G 사양은 확정되었지만 여전히 진행 중입니다. 5G를 통해 추구하려는 기능 중 대부분은 아직 확정되지 않았으며 여러 미팅, 현장 평가 및, 부품 벤더와 무선 통신회사의 의견을 기다리고 있습니다.

하지만 몇 가지 문제는 이미 분명해졌습니다. 일부 초기 구현이 여전히 6GHz에 미치지 못하더라도 5G 설계는 전자기 스펙트럼의 새로운 장을 열 것입니다. 대부분의 5G 시스템은 밀리미터파 대역에서 작동하며 미국에서는 27GHz ~ 28GHz 및 37GHz ~ 40GHz 대역이 사용됩니다. 또한 50GHz를 초과하는 일부 예비 대역도 할당됩니다. 기술적인 문제로 인해 첫 번째 밀리미터파는 27GHz ~ 28GHz 대역에서 구현될 것입니다.

LNA의 구체적인 역할

5G 사양은 변조, 전력, 데이터 전송률 및 기타 기능에 대한 다양한 옵션을 가능하게 하지만 일반적으로 이러한 옵션 대부분은 수신 채널 LNA와 관련이 거의 없습니다. 이 부품은 한 가지 기능을 우수하게 수행해야 합니다. 즉, 최대한 잡음을 줄이면서 안테나에서 잡음으로 손상된 약한 신호를 캡처하여 증폭해야 합니다. 따라서 계속적으로 진화하는 높은 수준의 사양 문제에만 지나치게 신경쓰지 말고 LNA 자체를 자세히 살펴보는 것이 중요합니다.

지정된 대역에서 허용되는 작업에 대한 기본 LNA 사양은 잡음 지수(NF)로서 LNA에 의해 추가되는 고유 잡음량을 나타냅니다. 5G의 경우 특히 28GHz에 근접할 경우 일반적으로 NF가 1dB ~ 3dB 사이여야 합니다. 상황에 따라 1dB 또는 2dB 정도 더 높을 수 있습니다. 일부 일반적인 잡음 지수에 대한 자세한 내용은 “I Understand Noise Figure, but How Did Noise Get a ‘Temperature’?(잡음 지수에 대한 이해와 잡음과 '온도'와의 관계)”를 참조하세요. 수신된 신호를 후속 증폭기, 필터 및 디지털화를 통해 적절히 처리할 수 있는 범위로 증폭하려면 이득이 일반적으로 15dB ~ 20dB 사이여야 합니다.

마지막으로 출력 1dB 압축(OP1 또는 P1dB) 및 출력 3차 교차(OIP3)의 선형성 관련 지수는 각각 최소 -20dBm 및 -35dBm여야 합니다. 낮은 5G 대역에서는 OP1 및 OIP3에 대한 이러한 요구 사항이 각각 -20dBm 범위 및 -10dBm ~ -15dBm 범위로 완화됩니다. 음수 값이 클수록 우수한 성능을 나타내지만(-25dBm가 -20dBm보다 더 우수함) 많은 규격서에서 음수 기호를 빼고 표시하므로 혼란이 야기될 수 있습니다.

LNA는 기능적으로 “간단한” 증폭기이므로 매우 기본적인 제품 구성도로 표현되며(대개 증폭기 삼각형) 일반적으로 6개 ~ 8개 사이의 적은 수의 패키지 리드만 필요합니다. 이러한 단순한 형태로 인해 패키지는 각 측면이 1mm ~ 2mm 정도로 작으며 이보다 더 작은 경우도 많습니다.

5G에 맞게 LNA를 개선하는 새로운 공정

다양한 GHz 대역의 저주파(예: 2.4GHz 및 5GHz 대역)에 맞게 조정된 많은 고성능 LNA가 있지만, 이러한 LNA는 5G 프런트 엔드의 까다로운 요구 사항을 충족하지 못합니다. 실리콘 기반 LNA는 성능 한계에 이른 것으로 보이므로 까다로운 5G 성능 사양을 충족하기 위해 최신 반도체 소재 및 공정이 사용되고 있습니다. 낮은 5G 대역에서도 표준 실리콘은 5G에 대해 충분히 낮은 잡음 지수와 적절한 OP1/OIP3 등급을 가지지 못하며, 기존 무선 표준에 비해 송신 및 수신 신호 수준이 낮습니다.

따라서 벤더들은 더 높은 전자 이동성, 더 작은 기하 구조 및 더 낮은 누설이 가능한 SiGe, SOI 및 갈륨 비소(GaAs) 소재를 기반으로 하는 새로운 공정의 대량 생산과 R&D에 많은 투자를 하고 있습니다.

예를 들어, SiGe 공정을 사용하는 Infineon Technologies의 BGA8U1BN6 LNA는 잡음 지수가 1.6dB에 불과하고 OP1은 18dBm ~ 22dBm, OIP3는 10dBm ~ 15dBm입니다. 또한 4GHz ~ 6GHz 사이에서 13.7dB의 이득으로 작동합니다.

BGA8U1BN6은 바이패스 모드로 바로 전환하여 7.5dB 삽입 손실로 입력 신호를 출력으로 전달하는 절전 기능을 제공합니다(그림 1). 이 기능은 수신된 신호 강도가 높을 때 유용합니다. 그러면 후속 스테이지의 과부하가 방지될 뿐만 아니라, 약 20mA에서 약 100A까지 2.8V 공급으로 LNA 공급 전류를 줄여서 큰 폭의 절감 효과를 제공합니다.

그림 1: Infineon Technologies의 SiGe BGA8U1BN6 LNA는 LNA를 신호 경로에서 제외시키는 바이패스 모드를 포함합니다. 그러면 이득이 감소되고 후속 스테이지에서 과부하와 포화 현상이 방지되며 전류 요구 사항이 감소됩니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

바이패스 모드는 Skyworks Solutions의 SKY65806-636LF SOI LNA(3400MHz ~ 3800MHz용)에서도 제공됩니다. 이득은 13.6dB에서 Infineon 장치와 비슷하지만 잡음 지수는 1.2dB에 불과합니다. 공급 전압 범위는 1.6V ~ 3.3V이고 작동 전류는 3.85mA에 불과합니다. Infineon의 LNA와 마찬가지로 이 50Ω LNA는 사용자 제어 바이패스 기능을 포함합니다.

또한 Analog Devices의 ADL5724 LNA는 12.7GHz ~ 15.4GHz 작동 범위에서 SiGe 공정을 사용합니다(그림 2). 100Ω 밸런스 차동 출력은 차동 다운 컨버터 및 아날로그 디지털 컨버터를 구동하는 데 적합합니다. 통상 이득은 23.7dB보다 크며, 통상 잡음 지수는 12.7GHz에서 2.1dB, 15.4GHz에서 2.4dB입니다.

그림 2: Analog Devices의 SiGe ADL5724는 LNA와 신호 체인의 다음 스테이지 사이에서 향상된 신호 무결성을 지원하는 밸런스 차동 출력을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

대부분의 LNA는 일반적으로 안정적인 온도 환경에서 배포되지 않으므로 ADL5724 규격서에는 중요 성능 지수와 온도를 비교하는 그래프가 포함되어 있습니다(그림 3).

그림 3: LNA의 성능은 (a) 이득 및 (b) 잡음 지수 그래프에 주파수와 비교하여 표시된 대로 온도(-40C, +25C, +85C)에 따라 달라집니다. 온도의 증가에 따른 이득 감소와 잡음 지수 증가에 유의하세요. (이미지 출처: Analog Devices)

ADL5724의 경우 온도와 함께 잡음 지수가 증가하고 이득이 약간 감소합니다. 이는 공정에 상관없이 LNA에 일반적인 성능입니다. 설계자는 최악의 상황에서 신호 체인 성능을 모델링 및 시뮬레이션할 때 이러한 변화를 고려해야 합니다.

작동 범위는 높고 잡음은 낮아야 하는 경우 2.6GHz에서 0.5dB의 초저잡음 지수를 갖는 높은 작동 범위의 GaAs 단일 스테이지 LNA인 MACOM Technology Solutions Holdings(MACOM)의 MAAL-011078을 사용할 수 있습니다. 이 LNA는 22dB 이득과 33dBm(OIP3) 및 17.5dBm(P1dB)의 높은 선형성을 제공합니다. 700MHz ~ 6GHz의 범위를 포괄하는 IC는 추가 기능인 집적 활성 바이어스 회로를 포함하므로, 사용자가 외부 저항기를 통해 바이어스(작동 지점) 전류를 설정할 수 있습니다. 따라서 응용 제품에 맞게 전력 소비를 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 낮은 작동 전류에서는 다소 낮은 성능을 선택합니다(그림 4).

그림 4: MACOM의 MAAL-011078을 사용하면 외부 저항기를 통해 LNA 바이어스 전류와 작동 지점을 설정할 수 있으므로, OIP3의 변화에 맞게 낮은 작동 전류를 선택하고(왼쪽), 주파수 대비 P1dB 성능을 낮출 수 있습니다(오른쪽). (이미지 출처: MACOM)

5G LNA 최대한 활용하기

적합한 5G용 LNA를 선택한 경우 LNA를 최대한 활용하도록 5G 프런트 엔드 설계를 구현하기 위해 몇 가지 고려하고 협의할 사항이 있습니다. 작동 주파수가 5GHz, 10GHz를 초과할 경우 LNA 이외에 5가지 주요 사항을 고려해야 합니다.

1: PC 기판 소재 선택 - 기가헤르츠 범위에서는 LNA 입력 및 출력의 전송선 손실이 주요 사항입니다. 특히 입력 부분에서는 손실로 인해 달성 가능한 최대 신호대 잡음비가 감소되고 LNA 출력 잡음이 커지므로 특히 중요합니다. 대부분의 설계에서 전송선은 PC 기판 자체에 스트립 선로로 제작되므로 기판을 저손실 유전체로 제작해야 합니다.

일반적인 FR4 PC 기판 래미네이트만으로는 적합하지 않으므로 벤더는 다양한 대체 소재와 래미네이트를 제공합니다. 널리 사용되는 한 기판에서는 보강재로서 FR4의 기본 강도를 지원하면서 FR4 코어 위에 특수 래미네이트를 배치하여 전송선에 대해 안정적인 손실 지수를 제공합니다.

이러한 주파수에서 PC 기판은 다른 모든 수동 소자에 있는 기생 부품과 함께, 회로 설계에서 또 다른 수동 "부품"으로 간주해야 합니다. 또한 기판의 기본 특성과 기생 부품의 온도 계수를 비롯한 미묘한 사항을 고려해야 합니다. 이 데이터는 고성능 PC 기판 소재 벤더에서 제공합니다.

2: 커패시터 선택 - 입/출력 정합 회로에서 LNA로 유입되거나 LNA에서 발생되는 잡음 지수를 낮게 유지하려면 고 Q 커패시터를 사용해야 합니다. 저 Q 부품은 0.2dB ~ 전체 dB 범위 내에서 잡음 지수를 저하시킵니다. 널리 사용되는 NPO 커패시터는 낮은 Q와 높은 손실을 가지므로 사용해서는 안 됩니다. 최고 Q 커패시터는 자기를 기반으로 하지만 가격이 비쌉니다. 성능 및 비용 분석에 따라 절충점을 찾을 수 있습니다.

3: 전원 공급 장치 바이패싱 - 널리 알려져 있지만 간과되기 쉬우므로 되풀이해서 언급할 가치가 있습니다. 안정적이고 일관된 고주파 성능을 보장하려면 IC 등에서 전원 공급 장치 DC를 신중하고 철저하게 바이패싱해야 합니다. 선택된 바이패스 커패시터는 감결합 성능을 최대화하는 데 필요한 주파수에서 임피던스 최솟값이 위치해야 합니다.

예를 들어, 1000pF 커패시터는 고주파 감결합에 적합하지 않습니다. 5GHz에서, 1000pF 자기 공진 주파수 커패시터는 인덕터처럼 보이므로 실제로 감결합 생산성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 대신에 값이 작은 커패시터(일반적으로 10pF 미만)를 LNA에 가깝게 배치해야 합니다. 또한 1000pF 커패시터와 0.01F 커패시터를 병렬로 조합하여 사용하는 기존 저주파 감결합을 설계에 포함해야 합니다. 이 경우 커패시터를 LNA에 가깝게 배치하지 않아도 됩니다.

4: 입력 및 출력 정합 - 대부분의 LNA는 입력 및 출력 임피던스가 50Ω이지만 그렇지 않은 경우도 있습니다. 입력 및 출력 임피던스가 50Ω인 경우에도, LNA를 구동하는 회로망과 LNA 출력이 구동되는 회로망은 50Ω이 아닐 수 있습니다. 따라서 적합한 정합 옵션을 설정하는 데 사용되는 Smith 차트 및 S 파라미터로 정합 회로를 생성해야 합니다. 또한 5G 주파수에 사용되는 반응성 수동 부품(인덕터 및 커패시터)에는 내부 부품부터 주변 부품 및 PC 기판에 이르기까지 다양한 유형의 불가피한 기생 용량이 존재합니다.

설계자는 다음 세 가지 작업을 수행해야 합니다. 이러한 주파수에서 기생 용량을 낮추도록 설계된 정합 부품을 선택하고, 부품 배치의 맥락에서 불가피한 기생 용량을 완전히 특성화하며, 이러한 값을 활용하여 정합 회로를 모델링하고 결과에 따라 공칭 값을 조정해야 합니다.

5: 케이블 상호 연결 - 일부 5G 설치에서는 PC 기판과 스트립 선로 전송선을 벗어나는 상호 연결이 필요합니다. 이 경우 물리적 케이블이 필요합니다. 회로 밸런스를 유지하고 잡음의 영향을 줄이기 위해 차동 인터페이스를 사용하는 경우 케이블 상호 연결을 위해 전파 특성이 동일한 스큐 정합 케이블 쌍이 필요할 수 있습니다.

따라서 40GHz 이상에 달하는 5G 주파수용 고성능 케이블은 1psec에 지연 정합됩니다. 이러한 케이블은 쌍으로 판매 및 사용되며, 두 물리적 케이블을 항상 쌍으로 유지하도록 “구속 밴드”가 포함되어 있습니다. 따라서 케이블을 개별적으로 설치하거나 교체할 수 없습니다. 이러한 케이블을 사용하면 차동 회로에서 신호 체인의 다음 스테이지를 구동할 때 고급 LNA의 성능을 실현할 수 있습니다.

결론

5G 무선 표준은 작동 주파수를 수 GHz ~ 수십 GHz 범위로 높이고 있습니다. 또한 아날로그 회로망 특히 저잡음 증폭기에서 보다 낮은 잡음/보다 낮은 왜곡 성능을 요구합니다. 새로운 IC 공정 기술(예: SiGe, SOI, GaAs)은 이러한 요구를 해결하고 있습니다. 하지만 이러한 높은 주파수에서 RF의 상태에 주의하지 않을 경우 우수한 LNA의 성능이 저하될 수 있습니다.