무선 설계의 저잡음 및 전력 증폭기에 대한 기본 이해

높은 성능, 소형화 및 고주파 작동이 요구되는 환경에서 무선 시스템의 핵심인 두 안테나 연결 부품, 즉 전력 증폭기(PA)와 저잡음 증폭기(LNA)의 한계가 깨지고 있습니다. 이러한 변화는 5G를 구현하고 PA 및 LNA를 VSAT 단자, 극초단파 무선 통신 링크, 위상 어레이 레이더 시스템 등에 사용하려는 노력에 의해 촉진되었습니다.

이러한 응용 분야는 저잡음(LNA)과 높은 효율성(PA)이 요구되며 최대 10GHz까지 및 그 이상의 높은 주파수에서 작동해야 합니다. 이렇게 커지는 요구를 충족하기 위해 LNA 및 PA 제조업체는 기존의 실리콘 전용 공정에서 갈륨 비소(GaAs, LNA) 및 질화 갈륨(GaN, PA) 공정으로 전환하고 있습니다.

이 기사에서는 일반적인 GaAs 및 GaN 장치를 소개하기 전에 LNA 및 PA의 역할과 요구 사항 및 주요 특성에 대해 설명하고, 이러한 장치를 설계에 이용할 때의 유의 사항을 살펴봅니다.

LNA의 중요한 역할

LNA의 기능은 일반적으로 마이크로볼트 수준 또는 –100dBm 미만의 매우 약하고 확실하지 않은 신호를 안테나로부터 가져와 약 0.5V에서 1V 정도의 더 유용한 수준으로 증폭하는 것입니다(그림 1). 감을 잡아보자면, 50Ω 시스템에서 10μV는 -87dBm이고 100μV는 -67dBm입니다.

최신 전자 기기로 이러한 이득을 제공하는 것 자체는 크게 어렵지 않지만 약한 입력 신호에 LNA가 추가할 수 있는 잡음으로 인해 그 이득이 크게 손상됩니다. 이 잡음은 LNA가 추가하는 증폭의 모든 이점을 상쇄해버릴 수 있습니다.

그림 1: 수신 경로의 저잡음 증폭기(LNA)와 송신 경로의 전력 증폭기(PA)가 듀플렉서를 통해 안테나에 연결됩니다. 듀플렉서는 두 신호를 분리하여 상대적으로 강력한 PA 출력으로 인해 민감한 LAN 입력에 과부하가 발생하는 것을 방지합니다. (이미지 출처: DigiKey)

LNA는 알 수 없는 신호 및 잡음 과제도 수행합니다. 수신기 채널의 프런트 엔드로서 LNA는 매우 낮은 전력, 저전압 신호 및 안테나가 관심 대역폭 내에서 발생시키는 관련 불규칙 잡음을 캡처하고 증폭해야 합니다. 신호 이론에서 이것은 알 수 없는 신호/알 수 없는 잡음 과제라고 부르며 모든 신호 처리 과제 중에서 가장 어렵습니다.

LNA에 대한 기본 파라미터는 잡음 지수(NF), 이득 및 선형성입니다. 잡음은 열과 기타 소스로 인해 통상 0.5dB ~ 1.5dB 범위의 잡음 지수가 발생합니다. 통상 이득은 단일 스테이지에서 10dB에서 20dB 사이입니다. 일부 설계는 낮은 이득, 낮은 NF 스테이지 다음에 더 높은 NF를 가질 수 있는 높은 이득 스테이지가 뒤따르는 계단식 증폭기를 사용합니다. 하지만 초기 신호의 '이득이 상승'한 후에는 그 중요성이 떨어집니다. LNA, 잡음 및 RF 수신기에 대한 자세한 내용은 TechZone 기사 '수신기 감도를 최대화하는 저잡음 증폭기'를 참조하세요.

LNA의 또 다른 문제는 비선형성인데, 결과적으로 나타나는 고조파 및 상호 변조 왜곡으로 인해 수신된 신호가 손상되며 매우 낮은 비트 오류율(BER)로 복조 및 디코딩하는 것이 더 어려워집니다. 선형성은 일반적으로 3차 교차점(IP3)으로 특징화되는데 이는 3차 비선형 기간으로 인한 비선형 제품을 선형적으로 증폭한 신호와 연관시킵니다. IP3 값이 높을수록 증폭기 성능도 더 높은 선형성을 가집니다.

LNA의 전력 소비와 효율은 일반적으로 주요 관건이 아닙니다. 대부분의 LNA는 그 특성상 10mA ~ 100mA의 전류 소비를 갖춘 저전력 장치이고 부하에 전력을 전달하지 않고 후속 스테이지에 전압 이득을 제공합니다. 또한 시스템 내에는 LNA 채널이 한 개 또는 두 개밖에 없기 때문에(후자의 경우 일반적으로 Wi-Fi 및 5G 인터페이스 등을 위한 다양한 안테나 설계에 사용) 더 낮은 전력을 사용하는 LNA를 통해 약간 절약할 수 있습니다.

작동 주파수 및 대역폭을 제외하면 LNA 간에는 꽤 많은 기능적 유사성이 있습니다. 또한 일부 LNA는 이득 제어를 포함하므로 증폭기가 과부하와 포화 없이 입력 신호의 광범위한 작동 범위를 처리할 수 있습니다. 이처럼 입력 신호 강도의 큰 변동 폭은 단일 연결 주기 동안에도 기지국 대 전화 경로 손실이 넓은 범위를 가질 수 있는 모바일 응용 제품에서 흔히 발생합니다.

LNA에 대한 입력 신호 및 출력 신호의 경로는 부품 자체의 사양에 못지않게 중요합니다. 따라서 설계자는 정교한 모델링 및 레이아웃 도구를 사용하여 LNA의 잠재된 성능을 최대한 실현해야 합니다. 잘못된 레이아웃 또는 임피던스 정합으로 인해 우수한 부품의 성능이 저하될 수 있으므로 공급업체에서 제공한 Smith 차트('Smith 차트: RF 설계에서도 중요한 역할을 하는 '구형' 그래픽 도구' 참조)를 신뢰할 수 있는 회로 모델과 함께 사용하여 시뮬레이션 및 분석 소프트웨어를 지원하는 것이 중요합니다.

레이아웃, 커넥터, 접지, 바이패스, 전력 등 테스트 설정의 모든 측면이 중요하기 때문에, GHz 범위에서 작동하는 고성능 LNA를 공급하는 거의 모든 업체에서 평가 기판 또는 확인된 PC 기판 레이아웃을 제공합니다. 설계자는 이러한 관련 자료가 없을 경우 응용 분야에서 부품의 성능을 평가하는 데 시간을 낭비하게 됩니다.

GaAs 기반 LNA로는 Analog Devices의 18GHz ~ 31GHz pHEMT(pseudomorphic High-Electron-Mobility Transistor, 부정형 고전자 이동도 트랜지스터) 장치인 HMC519LC4TR이 있습니다(그림 2). 이 리드리스 4mm × 4mm 세라믹 표면 실장 패키지는 14dB의 작은 신호 이득과 3.5dB의 낮은 잡음 지수, +23dBm의 높은 IP3를 제공합니다. 단일 +3V 공급에서 75mA의 전류를 소비합니다.

그림 2: The HMC519LC4TR GaAs LNA는 18GHz ~ 31GHz의 낮은 수준 입력에서 저잡음 이득을 제공합니다. 패키지 연결의 대부분이 전력 레일 또는 접지에 사용되거나 사용되지 않고 남아 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

설계 과정은 간단한 기능별 제품 구성도에서 시작하여 세 전력 레일 피드에 대해 낮은 기생 용량의 적절한 RF 바이패스와 지정된 V_dd(그림 3)를 제공하는 데 필요한 다양한 값 및 유형을 가진 여러 외장형 커패시터 설계까지 순서대로 진행됩니다.

그림 3: 실제 응용 분야에서 HMC519LC4TR LNA는 저주파 필터링을 위한 벌크 정전 용량과 RF 기생 최소화를 위한 RF 바이패스용 저가 커패시터를 모두 제공하기 위해 전력 레일에 여러 바이패스 커패시터(모두 동일한 정격 전압)가 필요합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 개선된 회로도로 인해 비 FR4 PC 기판 소재 사용을 비롯하여 레이아웃과 BOM을 세부적으로 보여주는 평가 기판이 향상됩니다(그림 4(a) 및 4(b)).

그림 4(a)

그림 4(b)

그림 4: LNA 프런트 엔드가 높은 주파수에서 작동하고 낮은 수준의 신호를 캡처해야 하므로 테스트를 거친 자세한 평가 설계가 필수적입니다. 여기에는 수동 부품과 PC 기판 소재(b)를 구체적으로 명시한 회로도(그림 없음), 기판 레이아웃(a), BOM 등이 포함됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

GaAs LNA에는 훨씬 더 높은 주파수(22GHz ~ 38GHz)에서의 작동을 지원하는 MACOM MAAL-011111이 있습니다(그림 5). 이 LNA는 19dB의 작은 신호 이득과 2.5dB의 잡음 지수를 제공합니다. 이 LNA는 단일 스테이지 장치처럼 보이지만 실제로는 세 개의 계단식 스테이지가 내재되어 있습니다. 첫 번째 스테이지는 최저 잡음과 중간 이득에 최적화되어 있고, 이후 두 스테이지는 추가 이득을 제공합니다.

그림 5: 사용자의 관점에서 MAAL-011111 LNA는 단일 스테이지 증폭기처럼 보이지만 내부적으로는 출력 시 큰 이득을 추가하면서 입출력 신호 경로 SNR을 최대화하도록 설계된 일련의 이득 스테이지가 사용됩니다 (이미지 출처: MACOM)

Analog Devices의 LNA와 마찬가지로 MAAL-011111은 단일 저전압 공급만 필요하므로 크기가 3mm × 3mm에 불과합니다. 바이어스(공급) 전압을 3.0V ~ 3.6V 사이의 다양한 값으로 설정하여 일부 성능 사양을 조절하고 트레이드 오프할 수 있습니다. 추천 기판 레이아웃은 적절한 임피던스 정합과 접지면 성능을 유지하기 위해 매우 중요한 PC 기판 구리의 치수를 보여줍니다(그림 6).

그림 6: MACOM의 MAAL-011111을 최대한 활용하고 입력 및 출력 임피던스 정합을 제공하기 위해 제안되는 레이아웃 임피던스 제어 전송 회선과 낮은 임피던스 접지면(치수 단위: mm)에 대한 PC 기판 구리 사용이 특징입니다. (이미지 출처: MACOM)

안테나를 구동하는 PA

LNA의 어려운 신호 캡처 문제와 달리 PA는 매우 높은 SNR의 상대적으로 강력한 신호를 회로망에서 가져와서 전력을 승압해야 합니다. 진폭, 변조, 모양, 듀티 사이클 등 신호에 대한 모든 일반 팩터는 알려져 있습니다. 이것은 신호 처리 맵의 알려진 신호/알려진 잡음 사분면으로서 관리가 가장 쉬운 것 중 하나입니다.

PA의 기본 파라미터는 관심 주파수에서의 출력 전력이며 통상 PA 이득은 +10dB ~ +30dB 사이입니다. 효율성은 이득과 더불어 중요한 PA 파라미터이지만 효율성의 평가는 사용 모델, 변조, 듀티 사이클, 허용 가능 변조 왜곡 및 기타 부스트되는 신호 기능으로 인해 복잡해집니다. PA 효율성은 30% ~ 80% 범위지만 매우 많은 요인에 따라 달라집니다. PA 선형성도 중요하며 LNA와 마찬가지로 IP3을 통해 평가됩니다.

많은 PA가 더 낮은 전력 수준(최대 약 1W ~ 5W)에서 CMOS 기술을 사용하는 반면, 최근 몇 년간 다른 기술들도 발달되었으며 특히 배터리 수명과 열 고려 사항 모두에 대해 효율성이 중요한 더 높은 전력 수준에서 널리 사용되고 있습니다. 몇 와트 또는 그 이상이 필요한 분야에서 GaN을 사용하는 PA는 더 높은 전력 레벨과 높은 주파수(보통 1GHz 이상)에서 더 향상된 효율성을 제공합니다. GaN PA는 특히 효율성과 소비 전력을 고려할 때 비용적인 측면에서 저렴합니다.

Wolfspeed CGHV14800F(1200MHz ~ 1400MHz, 800W 장치)는 일부 최신 GaN 기반 PA를 대표합니다. 이 HEMT PA의 효율성, 이득 및 대역폭은 펄스 L 주파수 증폭기에 최적화되어 있으며, 항공 교통 관제소(ATC), 날씨, 미사일 방어, 표적 추적 시스템 등과 같은 응용 분야에서 주로 사용됩니다. 이 장치는 50V 공급을 사용하여 일반적으로 50% 이상의 드레인 효율성을 제공하며, 10mm × 20mm 세라믹 패키지 안에 냉각용 금속 플랜지와 함께 동봉됩니다(그림 7).

그림 7: 10mm × 20mm 세라믹 패키지에 금속 플랜지와 함께 동봉되는 CGHV14800F 1200MHz ~ 1400MHz, 800W, GaN PA는 까다로운 RF 및 손실 요구 사항을 동시에 충족해야 합니다. 기계 및 열 무결성을 위해 패키지를 PC 기판에 납땜하는 것이 아니라 나사로 고정하는 실장 플랜지가 특징입니다. (이미지 출처: Wolfspeed)

CGHV14800F는 50V 공급에서 작동하며 일반적으로 14dB의 전력 이득과 65%를 초과하는 드레인 효율성을 제공합니다. LNA와 마찬가지로 평가 회로와 참조 설계가 필수적입니다(그림 8).

그림 8: CGHV14800F PA에 제공되는 데모 회로는 장치 이외에는 매우 적은 개수의 부품밖에 필요하지 않지만, 실제 레이아웃과 열을 고려하는 것이 필수적입니다. PA는 실장 무결성과 열 목표에 모두 기여하는 패키지 플랜지를 통해 기판에 나사와 너트(하단, 표시되지 않음)로 고정됩니다. (이미지 출처: Wolfspeed)

또한 여러 사양 표 및 성능 곡선 중 그와 같이 중요한 것은 소비 전력 부하 경감 곡선입니다(그림 9). 여기서는 사용 가능한 정격 출력 전력과 케이스 온도를 비교하여 보여줍니다. 최대 허용 전력은 115⁰C까지 일정하게 유지되다가 150⁰C 최대 정격까지 급격하게 감소합니다.

그림 9: 전력 공급 역할로 인해 PA의 부하 경감 곡선은 케이스 온도가 높아질수록 허용되는 출력 전력이 낮아진다는 것을 설계자에게 보여주는 데 필요합니다. 온도가 115°C보다 높아지면 전력 등급이 급격히 감소됩니다. (이미지 출처: Wolfspeed)

또한 MACOM은 GaN 기반 PA(예: NPT1007 GaN 트랜지스터)를 제공합니다(그림 10). DC 주파수 범위가 1200MHz 이하이므로 광대역 FR 응용 분야와 협대역 RF 응용 분야 모두에 적합합니다. 이 장치는 일반적으로 14V ~ 28V 사이의 단일 공급에서 작동하며 900MHz에서 18dB의 작은 신호 이득을 제공합니다. 또한 장치의 성능 저하 없이 10:1 SWR(Standing Wave Ratio, 전압 정재파비) 불일치를 허용하도록 설계되었습니다.

그림 10: MACOM의 NPT1007 GaN PA는 1200MHz 이하의 DC 범위에서 작동하므로 광대역 RF 응용 분야와 협대역 RF 응용 분야 모두에 적합합니다. 이 외에도 다양한 로드풀 그래프가 추가 지원됩니다. (이미지 출처: MACOM)

500MHz, 900MHz 및 1200MHz에서의 기본 성능을 보여주는 그래프 이외에 NPT1007에는 강력한 제품을 보장하기 위해 노력하는 회로 및 시스템 설계자를 위한 다양한 '로드풀' 그래프가 지원됩니다(그림 11). 로드풀 테스트는 함께 연결된 신호 발생기 및 신호 분석기(스펙트럼 분석기, 전력계 또는 벡터 수신기)를 사용하여 수행합니다.

온도 변화 또는 공칭 값 주위의 허용 오차 범위 이내의 변동으로 인해 연결된 부품 값이 변경될 수 있으므로, 이 테스트에서는 DUT(Device Under Test)에 표시되는 대로 임피던스를 변경하여 PA의 성능(출력 전력, 이득, 효율성 등과 같은 인자 포괄)을 평가해야 합니다.

그림 11: NPT1007 PA에 대한 로드풀 그래프는 최소/최대/일반 사양 표준 표에 표시되지 않은 PA 성능, 즉 실제 사용 중에 초기 생산 허용 오차와 열 드리프트로 인해 부하 임피던스가 공칭 값을 벗어나는 경우의 PA 성능도 보여줍니다. (이미지 출처: MACOM)

사용되는 PA 공정에 상관없이 공급업체가 장치의 출력 임피던스를 완전히 특성화해야 설계자가 최대 전력 전송을 위해 안테나에 올바르게 맞추고 SWR을 가능한 한 통합된 상태에 가깝게 유지할 수 있습니다. 이 정합 회로는 기본적으로 커패시터와 인덕터로 구성되며 이산 소자로 구현되거나 PC 기판 또는 제품 패키지의 일부로 가공될 수 있습니다. 또한 PA 전력 레벨을 유지하도록 설계되어야 합니다. Smith 차트와 같은 도구는 필요한 임피던스 정합을 이해하고 구현하는 데 중요합니다.

PA의 작은 다이 크기와 높은 전력 레벨로 인해 패키징은 중요한 문제입니다. 앞에서 살펴본 것처럼 많은 PA가 넓은 열 손실 패키지 리드 및 플랜지를 통한 열 싱크와 패키지 아래에서 PC 기판 구리까지 연결하는 경로 역할을 하는 열 슬러그를 통한 열 싱크를 지원합니다. 더 높은 전력 레벨(약 5W ~ 10W 이상)에서 PA는 구리 캡을 통해 열 싱크를 상단에 실장할 수 있으며, 팬이나 기타 고급 냉각 기술이 필요할 수 있습니다.

GaN PA에 연결되는 정격 전력과 작은 크기 때문에 열 환경을 모델링하는 것이 중요합니다. 물론 PA를 허용되는 케이스 또는 정격 접합 온도 내에서 유지하는 것만으로는 충분하지 않습니다. PA에서 방출되는 열이 회로와 시스템의 다른 부품에 문제가 되어서는 안 됩니다. 전체 열 경로에서 문제가 되지 않도록 고려해야 합니다.

결론

스마트폰, VSAT 단자, 위상 어레이 레이더 시스템 등 RF 기반 시스템은 LNA 및 PA 성능을 제한합니다. 이 때문에 장치 제조업체는 필요한 성능을 제공하기 위해 실리콘 공정에서 GaAs 및 GaN 공정으로 이동하고 있습니다.

이러한 새로운 공정 기술은 넓어진 대역폭과 작아진 실장 면적의 더 효율적인 장치를 제공합니다. 하지만 이러한 새로운 기술을 효율적으로 적용하기 위해서는 설계자가 LNA 및 PA 작동의 기본을 이해해야 합니다.