Малошумящие усилители для систем MIMO

 

Владимир Голышев

Статья опубликована в журнале «Электронные Компоненты» 6

В статье рассматривается многоканальный малошумящий усилитель без входных переключателей. Приводится его схема, и представляются результаты измерения в графическом и табличном видах.

 

Введение

Малошумящие усилители (МШУ) хорошо известны и применяются очень давно. Однако последнее время в связи с ростом скоростей и объема передаваемых данных требования к ним существенно возросли. Они должны быстро приспосабливаться к изменениям сигналов, возникающим, например, из-за перемещения источника сигнала или из-за изменения зашумленности среды. При необходимости МШУ должен изменять коэффициент усиления (КУ) в широких пределах; при этом коэффициент шума МШУ должен быть как можно меньше. Быстрое переключение МШУ позволяет минимизировать потерю данных.

Как правило, разрабатываются одноканальные МШУ с одним входом и одним выходом, но такой вариант не подходит для систем MIMO, где используется многоканальная передача данных и требуется несколько входов и выходов. Использование нескольких отдельных одноканальных МШУ приводит к заметному увеличению стоимости и размеров, что неприемлемо и, следовательно, не находит широкого распространения.

Вместо нескольких отдельных одноканальных МШУ используются многоканальные МШУ с переключением каналов. В таких МШУ следует обеспечить высокую изоляцию каналов– в противном случае, интерференция сигналов ухудшит параметры усилителя. Кроме того, во избежание потерь сигналов необходимо уменьшить время переключения между полосами частот. В [1] предложен оригинальный многокаскадный МШУ для MIMO. Его и рассмотрим в этой статье.

 

Многокаскадный МШУ

Архитектура рассматриваемого МШУ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Архитектура трехкаскадного МШУ

 

Он предназначен для работы в полосе частот В41 и В42 (2,3–2,7 ГГц) и состоит из трех каскадов с общим истоком, что позволяет реализовать семь разных коэффициентов усиления в широком диапазоне. Заметим, что напряжение подается на каскады не при их включении в работу, а постоянно на все три каскада, что позволяет им без задержки включаться в усилительный тракт. Включение/выключение каскадов осуществляется с помощью простой цифровой схемы. Подобный подход позволяет варьировать коэффициент усиления в пределах 12–23 дБ; при этом коэффициент шума находится в диапазоне 0,73–0,75 дБ.

Коэффициент шума КШ определяется из (1):

        (1)

где k – постоянная Больцмана; T– температура Кельвина; G_amp – коэффициент усиления в функции частоты; f – частота.

Первый член в формуле (1)  отражает увеличение выходного шума за счет усиления входного сигнала; шум на входе усилителя усиливается, как и полезный входной сигнал. Второй член  отражает собственный шум МШУ из-за паразитных компонентов. Причем, если первая составляющая шума не зависит от частоты, то вторая возрастает с ее увеличением. С одной стороны, уменьшение паразитного сопротивления R_S уменьшает шум, а, с другой, обычно приводит к увеличению паразитной емкости С_Р. Таким образом, при проектировании МШУ требуется разумный компромисс между паразитными элементами С_Р и R_S.

Для уменьшения шума усилителя очень важна конфигурация входных каскадов. Традиционный подход показан на рис. 2а.

 

 

Он заключается в использовании массива входных переключателей, у которых число линий коммутации совпадает с числом входных каскадов. Подобный подход позволяет выбрать входной каскад в соответствии с параметрами входного сигнала. Однако при увеличении числа входных каскадов дополнительные коммутации вносят паразитные элементы, увеличиваются вносимые потери, и ухудшаются частотные свойства МШУ.

Конфигурация входного каскада предлагаемого МШУ показана на рис. 2б.

Рис. 2. Конфигурация входного каскада: а) традиционная; б) без переключателей

 

В этом варианте входные переключатели отсутствуют, что приводит к уменьшению шума. Для улучшения изоляции между каналами верхние транзисторы М4–М6 неиспользуемого канала выключаются, что позволяет добиться изоляции свыше 30 дБ.

МШУ был изготовлен в корпусе FC-CSP (Flip Chip-Chip Scale Package). Этот корпус имеет минимальные паразитные параметры и используется для высокочастотных и высокоскоростных микросхем. Испытываемая плата с МШУ показана на рис. 3.

Рис. 3. Испытываемая плата с МШУ

 

На рис. 4 показана фотография модуля испытываемого МШУ.

Рис. 4. Фотография испытываемого модуля МШУ

 

В его состав вошли четыре усилителя L1–L4. Выход усилителей коммутируется переключателем 4Р4Т. В модуль также встроена микросхема управления питанием PMIC и цифровая ИС управления каскадами.

На рис. 5 приведены результаты измерения S-параметров – входные и выходные возвратные потери S₁₁ и S₂₂, соответственно, и коэффициент усиления S₂₁.

Рис 5. Результаты измерения S-параметров

 

Коэффициент усиления МШУ в режиме максимального усиления достигает величины 20,4 дБ и остается практически неизменным во всем частотном диапазоне. Практически постоянная величина возвратных потерь во всем диапазоне частот говорит о хорошем согласовании входных цепей. Измеренная зависимость КШ от частоты представлена на рис. 6.

 

Рис. 6. Зависимость коэффициента шума от частоты

 

В таблице приведены результаты измерения.

 

Время включения МШУ не превысило 1,295 мкс. Напомним, что способность к быстрой коммутации важна для критичных к потере данных приложений, в которых требуется минимальное время для переключения режимов усиления. В некоторых режимах время переключения было еще меньше. Например, переход из режима усиления G0 в G6 занимал всего 0,458 мкс, а обратный переход длился 0,847 мкс.

В заключение заметим, что рассмотренный МШУ изготовлен по 65-нм технологии FD-SOI.

Литература:

1. A 0.73 dB Multi-Gain Low Noise Amplifier Design with Fast Mode-Switching for 5G/4G Applications // https://www.mdpi.com.