เข้าใจพื้นฐานของแอมพลิฟายเออร์รบกวนต่ำและพาวเวอร์แอมพลิฟายเออร์ในการออกแบบไร้สาย

การผลักดันประสิทธิภาพ การย่อขนาด และการทำงานความถี่ที่สูงขึ้นกำลังท้าทายขีดจำกัดของส่วนประกอบที่สำคัญที่เชื่อมต่อกับเสาอากาศของระบบไร้สายสองประการ ได้แก่ เพาเวอร์แอมป์พลิฟายเออร์ (PA) และแอมป์พลิฟายเออร์สัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) การเปลี่ยนแปลงนี้ได้รับแรงกระตุ้นจากความพยายามที่จะทำให้ 5G เป็นจริง เช่นเดียวกับการใช้ PA และ LNA ในเทอร์มินัล VSAT ลิงก์วิทยุไมโครเวฟ และระบบเรดาร์แบบ Phased Array

การใช้งานเหล่านี้มีข้อกำหนดที่รวมถึงสัญญาณรบกวนที่ต่ำลง (สำหรับ LNA) และประสิทธิภาพที่มากขึ้น (สำหรับ PA) รวมถึงการทำงานที่ความถี่ที่สูงขึ้นเกินกว่า 10 GHz เพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้ ผู้ผลิต LNA และ PA กำลังเปลี่ยนจากกระบวนการซิลิกอนทั้งหมดแบบดั้งเดิมไปสู่แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) สำหรับ LNA และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) สำหรับ PA

บทความนี้จะอธิบายบทบาทและข้อกำหนดของ LNA และ PA และคุณลักษณะหลัก ก่อนที่จะแนะนำอุปกรณ์ GaA และ GaN ทั่วไป รวมถึงสิ่งที่ควรพิจารณาในการออกแบบ

บทบาทที่ละเอียดอ่อนของ LNA

หน้าที่ของ LNA คือการรับสัญญาณที่อ่อนแอและไม่แน่นอนจากเสาอากาศ โดยปกติจะอยู่ในระดับไมโครโวลต์หรือต่ำกว่า -100 dBm และขยายสัญญาณให้อยู่ในระดับที่สามารถนำไปใช้งานได้มากขึ้น โดยทั่วไปประมาณ 1.5 ถึง 1 โวลต์ (รูปที่ 1) เพื่อให้ชัดเจนยิ่งขึ้น ในระบบ 50 Ω 10 μV คือ -87 dBm และ 100 μV เท่ากับ -67 dBm

แม้ว่าการให้อัตราขยายนี้เองจะไม่ใช่ความท้าทายหลักสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ แต่ก็ได้รับผลกระทบอย่างรุนแรงจากสัญญาณรบกวนใดๆ ที่ LNA อาจเพิ่มให้กับสัญญาณอินพุตที่อ่อนแอ โดยสัญญาณรบกวนนี้สามารถขจัดผลกระทบเชิงบวกของการขยายสัญญาณที่ได้จาก LNA

รูปที่ 1: แอมพลิฟายเออร์สัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) ของเส้นทางรับและพาวเวอร์แอมพลิฟายเออร์ (PA) ของเส้นทางการส่งสัญญาณเชื่อมต่อกับเสาอากาศผ่านดูเพล็กเซอร์ ซึ่งจะแยกสัญญาณทั้งสองออกและป้องกันไม่ให้เอาต์พุต PA ที่ค่อนข้างทรงพลังจากการโอเวอร์โหลดสัญญาณที่ละเอียดอ่อนมากเกินไปอินพุต LNA (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

LNA ทำงานอย่างเป็นปริศนา ในฐานะที่เป็นฟรอนด์เอนด์ของช่องรับสัญญาณ ซึ่งจะต้องจับและขยายสัญญาณพลังงานต่ำและแรงดันต่ำบวกกับสัญญาณรบกวนแบบสุ่มที่เกี่ยวข้องซึ่งเสาอากาศนำเสนอภายในแบนด์วิดท์ที่สนใจ ในทฤษฎีสัญญาณ สิ่งนี้เรียกว่าความท้าทายของสัญญาณที่ไม่ทราบ/สัญญาณรบกวนที่ไม่ทราบ ซึ่งเป็นความท้าทายที่ยากที่สุดในบรรดาความท้าทายในการประมวลผลสัญญาณทั้งหมด

สำหรับ LNA พารามิเตอร์หลักคือค่าสัญญาณรบกวน (NF) อัตราขยาย และความเป็นเส้นตรง สัญญาณรบกวนเกิดจากความร้อนและแหล่งอื่นๆ โดยค่าสัญญาณรบกวนโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 0.5 ถึง 1.5 dB อัตราขยายโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 10 ถึง 20 dB สำหรับสเตจเดียว การออกแบบบางอย่างใช้แอมพลิฟายเออร์แบบเรียงซ้อนที่มีสเตจ NF เกนต่ำ ตามด้วยสเตจเกนสูงกว่าที่อาจมี NF สูงกว่า แต่จะมีความสำคัญน้อยลงเมื่อสัญญาณเริ่มต้นนั้น "เพิ่มขึ้น" (สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ LNA, สัญญาณรบกวน และตัวรับสัญญาณ RF โปรดดูบทความ TechZone “แอมพลิฟายเออร์สัญญาณรบกวนต่ำเพิ่มความไวของตัวรับสัญญาณให้สูงสุด”)

ความไม่เชิงเส้นเป็นอีกปัญหาหนึ่งสำหรับ LNA เนื่องจากผลฮาร์โมนิคและการบิดเบือนระหว่างโมดูเลชั่นทำให้สัญญาณที่ได้รับเสียหาย และทำให้การดีโมดูเลตและถอดรหัสด้วยอัตราความผิดพลาดบิต (BER) ต่ำเพียงพอทำได้ยากขึ้น ความเป็นเชิงเส้นมักจะมีลักษณะเฉพาะโดยจุดตัดกันลำดับที่สาม (IP3) ซึ่งเกี่ยวข้องกับผลคูณที่ไม่เชิงเส้นที่เกิดจากส่วนที่ไม่เชิงเส้นลำดับที่สามกับสัญญาณที่ขยายเชิงเส้น ยิ่งค่า IP3 สูงเท่าใด ประสิทธิภาพของแอมพลิฟายเออร์ก็จะยิ่งเป็นเส้นตรงมากขึ้นเท่านั้น

โดยทั่วไปแล้วการใช้พลังงานและประสิทธิภาพใน LNA ไม่ใช่ประเด็นหลัก โดยธรรมชาติแล้ว LNA ส่วนใหญ่เป็นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานค่อนข้างต่ำโดยกินกระแสไฟตั้งแต่ 10 ถึง 100 mA และให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นในขั้นตอนต่อ ๆ ไป โดยไม่ส่งพลังงานให้กับโหลด นอกจากนี้ มีช่อง LNA เพียงหนึ่งหรือสองช่องในระบบ (ช่องหลังมักจะอยู่ในการออกแบบเสาอากาศที่หลากหลาย เช่น สำหรับอินเทอร์เฟซ Wi-Fi และ 5G) ดังนั้นการประหยัดจากการใช้ LNA ที่ใช้พลังงานต่ำจะพอประมาณ

นอกเหนือจากความถี่ในการทำงานและแบนด์วิธแล้ว ยังมี LNA ที่มีความคล้ายคลึงกันในการทำงานค่อนข้างมาก LNA บางตัวยังรวมการควบคุมเกนไว้ด้วย ดังนั้นแอมพลิฟายเออร์จึงสามารถจัดการช่วงไดนามิกที่กว้างของสัญญาณอินพุตโดยไม่โอเวอร์โหลดและความอิ่มตัว ความแรงของสัญญาณอินพุตที่แตกต่างกันเป็นอย่างมากดังกล่าวถือเป็นเรื่องปกติในการใช้งานในโทรศัพท์เคลื่อนที่ ซึ่งการสูญเสียเส้นทางระหว่างสถานีฐานไปยังโทรศัพท์อาจมีช่วงกว้าง แม้ในระหว่างรอบการเชื่อมต่อเดียว

การกำหนดเส้นทางสัญญาณอินพุตไปยัง LNA และสัญญาณเอาต์พุตจาก LNA มีความสำคัญพอๆ กับข้อกำหนดเฉพาะของชิ้นส่วน ดังนั้นนักออกแบบจึงต้องใช้เครื่องมือการสร้างแบบจำลองและเค้าโครงที่ซับซ้อนเพื่อตระหนักถึงศักยภาพในการปฏิบัติงานเต็มรูปแบบของ LNA ชิ้นส่วนที่เหนือกว่าสามารถถูกลดระดับลงได้อย่างง่ายดายโดยการจัดวางหรือการจับคู่อิมพีแดนซ์ที่ไม่ดี ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้แผนภูมิ Smith ที่ผู้ขายจัดหาให้ (ดู "Smith Chart: เครื่องมือกราฟิก 'โบราณ' ยังคงมีความสำคัญในการออกแบบ RF”) พร้อมด้วยแบบจำลองวงจรที่น่าเชื่อถือเพื่อรองรับซอฟต์แวร์การจำลองและการวิเคราะห์

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ผู้จำหน่าย LNA ประสิทธิภาพสูงเกือบทั้งหมดซึ่งทำงานในช่วง GHz จึงเสนอบอร์ดประเมินผลหรือรูปแบบบอร์ดพีซีที่ได้รับการตรวจสอบ เนื่องจากทุกแง่มุมของการตั้งค่าการทดสอบมีความสำคัญ รวมถึงรูปแบบ ตัวเชื่อมต่อ การต่อสายดิน การบายพาส และพลังงาน หากไม่มีทรัพยากรเหล่านี้ นักออกแบบจะเสียเวลาในการประเมินประสิทธิภาพของชิ้นส่วนในการใช้งาน

ตัวอย่างของ LNA ที่ใช้ GaAs คือ HMC519LC4TR ซึ่งเป็นอุปกรณ์ 18 ถึง 31 GHz pHEMT (ทรานซิสเตอร์การเคลื่อนที่แบบอิเล็กตรอนสูงแบบเทียม) จาก Analog Devices (รูปที่ 2) แพ็คเกจติดตั้งบนพื้นผิวเซรามิกไร้สารตะกั่วขนาด 4 × 4 มม. นี้ให้อัตราขยายสัญญาณเล็กน้อยที่ 14 dB พร้อมด้วยค่าสัญญาณรบกวนต่ำ 3.5 dB และ IP3 สูงที่ +23 dBm จ่ายกระแสไฟ 75 mA จากแหล่งจ่าย +3 V เดี่ยว

รูปที่ 2: HMC519LC4TR GaAs LNA ให้อัตราขยายพร้อมสัญญาณรบกวนต่ำสำหรับอินพุตระดับต่ำตั้งแต่ 18 ถึง 31 GHz; การเชื่อมต่อแพ็คเกจส่วนใหญ่ใช้สำหรับรางไฟฟ้า กราวด์ หรือไม่ได้ใช้ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

มีความก้าวหน้าในการออกแบบตั้งแต่แผนภาพบล็อกการทำงานที่เรียบง่ายไปจนถึงตัวเก็บประจุภายนอกหลายตัวที่มีค่าและประเภทที่แตกต่างกันซึ่งจำเป็นเพื่อให้การบายพาส RF ที่เหมาะสมโดยมีโหลดแฝงบนฟีดรางส่งกำลังสามสายต่ำ กำหนด V_dd (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ในการใช้งานจริง HMC519LC4TR LNA ต้องใช้ตัวเก็บประจุบายพาสหลายตัวบนรางส่งกำลังซึ่งมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าเท่ากันทั้งหมด เพื่อให้มีทั้งความจุขนาดใหญ่สำหรับการกรองความถี่ต่ำและตัวเก็บประจุที่มีค่าน้อยกว่าสำหรับการบายพาส RF ไปยัง ลด RF แฝง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แผนผังที่ได้รับการปรับปรุงนี้นำไปสู่บอร์ดประเมินผล ซึ่งมีรายละเอียดทั้งเค้าโครงและ BOM รวมถึงการใช้วัสดุบอร์ดพีซีที่ไม่ใช่ FR4 (รูปที่ 4(a) และ 4(b))

รูปที่ 4(a)

รูปที่ 4(b)

รูปที่ 4: เมื่อพิจารณาถึงความถี่สูงที่ส่วนหน้า LNA เหล่านี้ทำงาน และสัญญาณระดับต่ำที่ต้องจับ การออกแบบการประเมินที่มีรายละเอียดและผ่านการทดสอบแล้วจึงถือเป็นสิ่งสำคัญ ซึ่งรวมถึงแผนผัง (ไม่แสดง) เค้าโครงบอร์ด (a) และ BOM พร้อมด้วยส่วนประกอบเฉพาะของส่วนประกอบแบบพาสซีฟและวัสดุของบอร์ดพีซี (b) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

GaAs LNA สำหรับความถี่ที่สูงกว่าคือ MACOM MAAL-011111 ซึ่งรองรับการทำงาน 22 ถึง 38 GHz (รูปที่ 5) ให้อัตราขยายสัญญาณขนาดเล็ก 19 dB พร้อมด้วยค่าสัญญาณรบกวน 2.5 dB LNA นี้ดูเหมือนจะเป็นอุปกรณ์แบบขั้นตอนเดียว แต่จริงๆ แล้วภายในมีสามขั้นตอนแบบเรียงซ้อน ขั้นแรกได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้มีสัญญาณรบกวนต่ำที่สุดและอัตราขยายปานกลาง ในขณะที่ขั้นต่อ ๆ ไปจะให้อัตราขยายเพิ่มเติม

รูปที่ 5: สำหรับผู้ใช้ MAAL-011111 LNA ดูเหมือนจะเป็นแอมพลิฟายเออร์แบบสเตจเดียว แต่ภายในใช้ชุดของสเตจเกนที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่ม SNR เส้นทางสัญญาณอินพุตต่อเอาต์พุตให้สูงสุด ในขณะเดียวกันก็เพิ่มเกนอย่างมีนัยสำคัญที่เอาต์พุต (แหล่งรูปภาพ: MACOM)

เช่นเดียวกับ LNA ของ Analog Devices ที่ MAAL-011111 ต้องการแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำเพียงแหล่งเดียวและมีขนาดเล็กเพียง 3 × 3 มม. ผู้ใช้สามารถปรับและแลกเปลี่ยนความต้องการด้านประสิทธิภาพบางอย่างได้โดยการตั้งค่าแรงดันไบแอส (แหล่งจ่าย) ที่ค่าต่างๆ ระหว่าง 3.0 ถึง 3.6 V โครงร่างบอร์ดที่แนะนำจะแสดงขนาดทองแดงของบอร์ดพีซีที่สำคัญซึ่งจำเป็นต่อการรักษาการจับคู่อิมพีแดนซ์ที่เหมาะสมและประสิทธิภาพของระนาบกราวด์ (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: รูปแบบที่แนะนำสำหรับการใช้ประโยชน์สูงสุดจาก MAAL-011111 ของ MACOM ในขณะเดียวกันก็ให้การจับคู่อิมพีแดนซ์อินพุตและเอาท์พุตด้วย โปรดสังเกตการใช้ทองแดงของบอร์ดพีซีสำหรับสายส่งที่ควบคุมอิมพีแดนซ์ตลอดจนระนาบกราวด์ที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ (ขนาดเป็นมิลลิเมตร) (แหล่งรูปภาพ: MACOM)

PA ขับเคลื่อนเสาอากาศ

ตรงกันข้ามกับความท้าทายในการจับสัญญาณที่ยากลำบากของ LNA โดย PA นั้นรับสัญญาณที่ค่อนข้างแรงโดยมี SNR สูงมากจากวงจร และจะต้องเพิ่มกำลัง ซึ่งทราบปัจจัยทั่วไปทั้งหมดเกี่ยวกับสัญญาณ เช่น แอมพลิจูด การมอดูเลต รูปร่าง รอบการทำงาน และอื่นๆ นี่คือควอแดรนท์สัญญาณที่ทราบ/สัญญาณรบกวนที่ทราบของแผนที่การประมวลผลสัญญาณ และเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการจัดการ

พารามิเตอร์หลักสำหรับ PA คือกำลังเอาท์พุตที่ความถี่ที่สนใจ โดยค่า PA โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง +10 ถึง +30 dB นอกเหนือจากอัตราขยายแล้ว ประสิทธิภาพยังเป็นพารามิเตอร์ PA ที่สำคัญอีกตัวหนึ่ง แต่การประเมินประสิทธิภาพใดๆ ยังมีความซับซ้อนเนื่องจากรูปแบบการใช้งาน การมอดูเลต รอบการทำงาน การบิดเบือนที่อนุญาต และลักษณะอื่นๆ ของสัญญาณที่จะเพิ่ม ประสิทธิภาพ PA อยู่ในช่วง 30 ถึง 80% แต่ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัยเป็นอย่างมาก ความเป็นเชิงเส้นของ PA ที่มีความสำคัญเช่นกันนั้นมาจาก IP3 เช่นเดียวกับ LNA

ในขณะที่ PA จำนวนมากใช้เทคโนโลยี CMOS ในระดับพลังงานที่ต่ำกว่า (สูงถึงประมาณ 1 ถึง 5 W) ซึ่งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีอื่นๆ ได้เติบโตเต็มที่และยังมีการใช้งานอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งประสิทธิภาพมีความสำคัญอย่างยิ่งทั้งต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่และการพิจารณาความร้อน PA ที่ใช้ GaN ให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าในระดับพลังงานที่สูงขึ้นและความถี่ที่สูงขึ้น (โดยทั่วไปจะสูงกว่า 1 GHz) ซึ่งจำเป็นต้องใช้วัตต์หลายวัตต์ขึ้นไป GaN PA มีการแข่งขันด้านต้นทุน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคำนึงถึงประสิทธิภาพและการกระจายพลังงานด้วย

WolfspeedCGHV14800F ซึ่งเป็นอุปกรณ์ 1200 ถึง 1400 MHz, 800 W เป็นตัวแทนของ PA ที่ใช้ GaN ล่าสุด การผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพ อัตราขยาย และแบนด์วิดท์ของ HEMT PA นี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับแอมพลิฟายเออร์สัญญาณเรดาร์แถบความถี่ L แบบพัลซ์ ช่วยให้นักออกแบบสามารถค้นหาการใช้งานหลายอย่างในการใช้งาน เช่น ระบบควบคุมการจราจรทางอากาศ (ATC) สภาพอากาศ ระบบต่อต้านขีปนาวุธ และระบบติดตามเป้าหมาย การใช้แหล่งจ่ายไฟ 50 V ช่วยให้ประสิทธิภาพการเดรนโดยทั่วไปอยู่ที่ 50% ขึ้นไป และมาในแพ็คเกจเซรามิกขนาด 10 × 20 มม. พร้อมหน้าแปลนโลหะสำหรับระบายความร้อน (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: แพ็คเกจเซรามิก 10 × 20 มม. พร้อมหน้าแปลนโลหะของ CGHV14800F 1200 ถึง 1400 MHz, 800 W, GaN PA จะต้องตรงตามข้อกำหนด RF และการกระจายที่ยากลำบากไปพร้อมกัน โปรดสังเกตหน้าแปลนยึดสำหรับการขันสกรู (ไม่ใช่การบัดกรี) บรรจุภัณฑ์บนบอร์ดพีซีเพื่อความสมบูรณ์ทางกลและความร้อน (แหล่งรูปภาพ: Wolfspeed)

CGHV14800F ทำงานโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ 50 V ซึ่งโดยทั่วไปให้กำลังไฟเพิ่มขึ้น 14 dB พร้อมประสิทธิภาพการเดรน > 65% เช่นเดียวกับ LNA วงจรการประเมินผลและการออกแบบอ้างอิงถือเป็นสิ่งสำคัญ (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: วงจรสาธิต ที่ให้ไว้สำหรับ CGHV14800F PA ต้องใช้ส่วนประกอบน้อยมากนอกเหนือจากตัวอุปกรณ์ แต่การพิจารณารูปแบบทางกายภาพและการระบายความร้อนถือเป็นสิ่งสำคัญ PA ถูกยึดไว้กับบอร์ดด้วยสกรูและน็อต (ที่ด้านล่างมองไม่เห็น) ผ่านทางหน้าแปลนบรรจุภัณฑ์ซึ่งทำหน้าที่ทั้งความสมบูรณ์ในการติดตั้งและวัตถุประสงค์ด้านความร้อน (แหล่งรูปภาพ: Wolfspeed)

สิ่งสำคัญไม่แพ้กัน ในบรรดาตารางข้อมูลจำเพาะและกราฟประสิทธิภาพจำนวนมากคือกราฟการลดพิกัดการกระจายพลังงาน (รูปที่ 9) ข้อมูลนี้แสดงพิกัดกำลังเอาต์พุตที่มีอยู่เทียบกับอุณหภูมิเคส และระบุว่ากำลังสูงสุดที่อนุญาตจะคงที่สูงถึง 115⁰C จากนั้นลดลงเชิงเส้นจนถึงพิกัดสูงสุด 150⁰C

รูปที่ 9: เนื่องจากมีบทบาทในการจ่ายพลังงาน เส้นโค้งการลดพิกัดของ PA จึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อแสดงให้นักออกแบบเห็นว่ากำลังไฟฟ้าเอาท์พุตที่อนุญาตลดลงเมื่ออุณหภูมิของเคสเพิ่มขึ้น ในกรณีนี้ อัตรากำลังจะลดลงอย่างรวดเร็วหลังจากอุณหภูมิ 115°C (แหล่งรูปภาพ: Wolfspeed)

MACOM ยังมี PA ที่ใช้ GaN เช่นทรานซิสเตอร์ NPT1007 GaN (รูปที่ 10) ช่วงความถี่ DC ถึง 1200 MHz ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน RF ทั้งแบบแถบกว้างและแถบแคบ โดยทั่วไปจะทำงานจากแหล่งจ่ายไฟเดียวระหว่าง 14 ถึง 28 V โดยให้สัญญาณขนาดเล็ก 18 dB ที่ 900 MHz ได้รับการออกแบบมาเพื่อทนต่อ SWR (อัตราส่วนคลื่นนิ่ง) ที่ไม่ตรงกัน 10:1 โดยไม่ทำให้อุปกรณ์เสื่อมสภาพ

รูปที่ 10: NPT1007 GaN PA จาก MACOM ครอบคลุมช่วง DC ถึง 1200 MHz ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน RF ทั้งแบบแถบกว้างและแถบแคบ นักออกแบบได้รับการสนับสนุนเพิ่มเติมผ่านกราฟดึงโหลดที่หลากหลาย (แหล่งรูปภาพ: MACOM)

นอกจากกราฟที่แสดงประสิทธิภาพพื้นฐานที่ 500, 900 และ 1200 MHz แล้ว NPT1007 ยังได้รับการสนับสนุนโดยกราฟ "โหลดพูล" (Load-pull) ที่หลากหลาย เพื่อช่วยนักออกแบบวงจรและระบบที่มุ่งมั่นเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์มีความทนทาน (รูปที่ 11) การทดสอบโหลดพูลเสร็จสิ้นโดยใช้แหล่งสัญญาณที่เข้าคู่กันและเครื่องวิเคราะห์สัญญาณ (เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม มิเตอร์กำลัง หรือตัวรับเวกเตอร์)

การทดสอบต้องการความต้านทานที่แตกต่างกันไปตามที่เห็นโดยอุปกรณ์ที่ทดสอบ (DUT) เพื่อประเมินประสิทธิภาพของ PA (ครอบคลุมปัจจัยต่างๆ เช่น กำลังเอาท์พุต อัตราขยาย และประสิทธิภาพ) เนื่องจากค่าส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องสามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ หรือเป็นผลจากความแปรผันภายในพิกัดความเผื่อของค่าที่ระบุ

รูปที่ 11: กราฟโหลดพลูสำหรับ NPT1007 PA อยู่นอกเหนือตารางมาตรฐานข้อกำหนดขั้นต่ำ/สูงสุด/ทั่วไป เพื่อแสดงประสิทธิภาพของ PA เนื่องจากอิมพีแดนซ์โหลดเปลี่ยนจากค่าที่ระบุ ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่จะเกิดขึ้นในการใช้งานจริงเนื่องจากการเริ่มต้น ความคลาดเคลื่อนในการผลิตและการคลาดเคลื่อนด้านความร้อน (แหล่งรูปภาพ: MACOM)

ไม่ว่ากระบวนการ PA ที่ใช้จะเป็นอย่างไร ผู้จัดจำหน่ายจะต้องระบุความต้านทานเอาท์พุตของอุปกรณ์โดยสมบูรณ์ เพื่อให้ผู้ออกแบบสามารถจับคู่อุปกรณ์กับเสาอากาศได้อย่างเหมาะสมเพื่อการถ่ายโอนพลังงานสูงสุด และเพื่อให้ SWR ใกล้เคียงกันมากที่สุด วงจรจับคู่นี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ และอาจนำไปใช้เป็นอุปกรณ์แยกกัน หรือประดิษฐ์เป็นส่วนหนึ่งของบอร์ดพีซี หรือแม้แต่บรรจุภัณฑ์ของผลิตภัณฑ์ พวกเขายังต้องได้รับการออกแบบเพื่อรักษาระดับพลังงาน PA ด้วยเช่นกัน ขอย้ำอีกครั้งว่าการใช้เครื่องมือเช่นแผนภูมิ Smith ถือเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจและดำเนินการจับคู่อิมพีแดนซ์ที่จำเป็น

เนื่องจาก PA มีขนาดเล็กและมีระดับพลังงานสูง บรรจุภัณฑ์จึงเป็นปัญหาสำคัญ ดังที่แสดงไว้ก่อนหน้านี้ PA หลายตัวรองรับการระบายความร้อนผ่านสายทองแดงและหน้าแปลนของแพ็คเกจกระจายความร้อนที่กว้าง รวมถึงแผ่นกันความร้อนใต้แพ็คเกจเพื่อทำหน้าที่เป็นเส้นทางไปยังทองแดงของบอร์ดพีซี ที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น (สูงกว่าประมาณ 5 ถึง 10 W) PA อาจมีฝาปิดทองแดงเพื่อให้สามารถติดตั้งฮีทซิงค์ที่ด้านบนได้ และอาจจำเป็นต้องใช้พัดลมหรือเทคนิคการระบายความร้อนขั้นสูงอื่นๆ

อัตรากำลังและขนาดที่เล็กที่เกี่ยวข้องกับ GaN PA หมายความว่าการสร้างแบบจำลองสภาพแวดล้อมทางความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ แน่นอนว่า การรักษา PA ไว้ภายในพิกัดอุณหภูมิเคสหรือจุดเชื่อมต่อที่อนุญาตนั้นไม่เพียงพอ ความร้อนใดๆ ที่ถูกเอาออกจาก PA จะต้องไม่เป็นปัญหาสำหรับส่วนอื่นๆ ของวงจรและระบบ จะต้องคำนึงถึงการจัดการและแก้ไขเส้นทางระบายความร้อนทั้งหมด

สรุป

ระบบที่ใช้ RF ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงเทอร์มินัล VSAT และระบบเรดาร์เฟสอาเรย์ กำลังผลักดันขีดจำกัดของประสิทธิภาพของ LNA และ PA ซึ่งเป็นการผลักดันให้ผู้ผลิตอุปกรณ์ก้าวไปไกลกว่าซิลิคอนและสำรวจ GaAs และ GaN เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ต้องการ

เทคโนโลยีใหม่เหล่านี้ทำให้นักออกแบบมีอุปกรณ์ที่มีแบนด์วิดท์กว้างขึ้น มีขนาดเล็กลง และมีประสิทธิภาพสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม นักออกแบบจำเป็นต้องเข้าใจพื้นฐานการทำงานของ LNA และ PA เพื่อใช้เทคโนโลยีใหม่เหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพ