Kopioi artikkelin PDF-versio
Uudet langattoman tietoliikenteen järjestelmät tulevat asettamaan aivan uudenlaisia vaatimuksia päätelaitteissa käytettävälle radiotaajuiselle elektroniikalle. RF-alueen toteutusteknologioita kehitetään nimenomaan langattoman tietoliikenteen päätelaitteiden ehdoilla. Tässä artikkelissa valotetaan RF-toteutuksen kannalta keskeisimpiä uusia haasteita ja esitellään esimerkkinä integroidun tehovahvistimen toteutus.
Lähivuosina todistamme uuden sukupolven langattomien tietoliikennejärjestelmien läpimurtoa. Ensimmäisenä uutena järjestelmänä on käynnistymässä GSM:n päälle rakennettava GPRS (General Packet Radio Services), joka mahdollistaa nopean jatkuvan yhteyden Internetiin. EDGE:ssä (Enhanced Data Rates for Global Evolution) puolestaan GSM:n kapasiteettia kasvatetaan käyttämällä spektritehokasta modulaatiomenetelmää. Tällöin erilaiset liikkuvaa kuvaa sisältävät sovellukset tulevat mahdollisiksi matkapuhelimissa.
Varsinainen kolmannen sukupolven järjestelmä WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) on optimoitu ratkaisu sovelluksille, jotka vaativat laajaa peittoaluetta ja suurta kapasiteettia. GPRS:n, EDGE:n ja WCDMA:n lisäksi langattomien lähiverkkojen käyttö laajenee nopeasti, kun viiden gigahertsin taajuudet otetaan käyttöön. Bluetooth puolestaan korvaa johdot useissa lyhyen kantaman laitteissa ja sovelluksissa.
RF haasteena uusissa järjestelmissä
Uudet järjestelmät ja uudet käyttötaajuudet tuovat mukanaan tarpeen langattomille päätelaitteille, joilla voidaan kytkeytyä useisiin eri järjestelmiin. Tällaisten monijärjestelmäradioiden toteutus on erityisen haastavaa, sillä niissä vaaditaan suuri määrä taajuusalueita valikoivia RF-suotimia ja -kytkimiä. Nämä ovat paitsi kalliita myös suurikokoisia. Uusilla radioarkkitehtuureilla pyritään löytämään ratkaisuja, joissa suotimien määrä olisi mahdollisimman pieni.
Myös RF-piirien pieni tehonkulutus ja suuri lineaarisuus nousevat uusien järjestelmien myötä entistä kriittisemmiksi kilpailutekijöiksi. Spektritehokkaiden modulaatioiden käyttö vaatii suurta lineaarisuutta RF-lähettimissä ja -vastaanottimissa. Lineaarisuutta taas yleensä pystytään parantamaan ajamalla piiriin enemmän virtaa.
Uusissa järjestelmissä on siten vaarana se, etteivät toiminta-ajat ole lähelläkään sitä, mihin nykyisissä järjestelmissä on totuttu. Ratkaisuksi on haettava uusia älykkäitä arkkitehtuuri- ja piiritoteutuksia, joilla piirien hyötysuhdetta voidaan kasvattaa ja optimoida erilaisissa toimintatilanteissa.
Suuret taajuusalueet ja erityisesti viisi gigahertsiä asettavat myös aivan uusia vaatimuksia RF-toteutuksille. Piireillä joudutaan käyttämään erilaisia resonanssirakenteita laajalti ja kytkeytymisten hallinta vaikeutuu. Tällöin piirien sähkömagneettiseen mallintamiseen ja eristerakenteiden suunnitteluun joudutaan keskittymään aivan erilailla kuin 1-2 gigahertsin taajuusalueella. Bluetooth-radioissa keskeinen haaste on toteuttaa RF-osa erittäin halvalla hinnalla ja pienellä tehonkulutuksella.
Monijärjestelmä-radioiden RF-toteutus haastavaa
Teknologiapuolella kehitys on ollut myös erittäin vauhdikasta. Visiot siitä, että CMOS tulee valtateknologiaksi koko RF-suunnittelussa, ovat osoittautuneet virheellisiksi. Vaikka CMOS-teknologian nopeus riittää jo 1-2 gigahertsin piirien toteutukseen, lisääntynyt nopeus on madaltanut transistorin läpilyöntijännitettä ja seurauksena on epälineaarisuuden kasvaminen. Tämä on suuria dynamiikkatason vaihteluita vaativalle RF-elektroniikalle epäedullinen kehityssuunta.
Puolijohdepuolella piiteknologiat ovat kehittyneet nopeista pii-bipolaariteknologioista pii-germanium-teknologioihin, joilla bipolaaritransistoriin on saatu lisää nopeutta ja piirien virrankulutusta on voitu ratkaisevasti pienentää. Niinpä nykytilanteessa edistyneiden puolijohdeprosessien transistorien nopeus on riittävä tuleviin langattomiin tietoliikennejärjestelmiin. Sen sijaan puolijohdeprosessien passiivikomponenttien laadussa on edelleen parantamista.
Vaikka nykyisten matkapuhelimien koko radiotaajuusosa on toteutettu muutamilla integroiduilla piireillä, on niissä edelleen tyypillisesti satakunta passiivista erilliskomponenttia. Keskeisenä tavoitteena on päästä eroon näistä erilliskomponenteista, sillä niiden vaikutus laitteen kokoon ja kustannuksiin on erittäin merkittävä.
Yksi ratkaisu on käyttää erikoistuneita RFIC-teknologioita, joissa on laadukkaat passiivikomponentit kuten tarkkuusvastukset, vähähäviöiset spiraalikelat sekä korkea kapasitanssitiheys. Toisena vaihtoehtona on integroida passiivikomponentit omalle substraatille tai liitosalustan yhteyteen.
Olennaista tehokkaalle integroitujen RF-piirien tuotekehitykselle on komponenttimallien laatu, sillä moderni RF- ja RFIC-suunnittelu on hyvin simulointipainotteista. Niinpä RF-suunnittelijan tärkeimpiä taitoja on ymmärtää käyttämiensä komponenttimallien toimivuuden rajallisuus. Käytettäessä yhä uudempia teknologioita suunnittelijalla ei yleensä ole käytössä vuosien tilastotietoja parametrien hajonnoista. Tällöin tulee olennaiseksi löytää entistä epäherkempiä piirirakenteita sekä pyrkiä ymmärtämään parametrihajonnat prosessin ominaisuuksista lähtien.
Piiritopologia vaikuttaa tehovahvistimen suorituskykyyn
Nokian tutkimuskeskuksessa on vuodesta 1997 lähtien ollut käynnissä ETX-ohjelmaan kuuluva ARSENIDE-tutkimusprojekti, jossa on tutkittu uusia integroituja analogia- ja RF-ratkaisuja tulevaisuuden kannettaviin tietoliikennelaitteisiin. Projektissa on pyritty vastaamaan RF-alueen keskeisiin haasteisiin toisaalta lähtien uusien järjestelmien vaatimuksista ja toisaalta uusien toteutusteknologioiden avaamista mahdollisuuksista. Yhtenä esimerkkinä projektin tutkimuksesta on integroitujen tehovahvistimien kehittäminen matkapuhelinsovellutuksiin.
Perinteisesti radiotaajuiset matkapuhelimien tehovahvistimet ovat olleet yksipäisiä, kaksi- tai kolmeasteisia vahvistimia, jotka on koottu käyttäen erilliskomponentteja. Myös uudet integroidut tehovahvistimet ja tehomoduulit omaavat vielä lähes poikkeuksetta yksipäisen piiritopologian. Differentiaaliset tai vuorovaihetyyppiset (push-pull) piiritopologiat eivät ole olleet käytännöllisiä ratkaisuja erilliskomponenteilla tehdyille tehovahvistimille, koska ne vaativat hyvän balanssin ja identtiset komponentit molempiin haaroihin. Tehovahvistimen integrointi mahdollistaa tänä päivänä myös näiden piiritopologioiden toteuttamisen.
Emitterin haitallinen induktanssi kuriin
Tärkein vuorovaihetyyppisen tehovahvistimen etu yksipäiseen tehovahvistimeen nähden on sen pienempi herkkyys vahvistintransistoreiden näkemälle emitteri-induktanssille. Yksipäiset tehovahvistimet ovat normaalisti yhteisemitterikytkettyjä piirejä. Näissä pienikin induktanssi vahvistinasteiden transistoreiden emitterin ja maatason välillä aiheuttaa sarjamuotoisen takaisinkytkennän huonontaen vahvistimen ominaisuuksia.
Induktanssista johtuva emitterillä näkyvä maatason heilahtelu (ground-bounce) RF-signaalin mukana pienentää vahvistimen vahvistusta ja hyötysuhdetta. Vuorovaihetyyppisessä topologiassa tätä ilmiötä ei esiinny, koska haarojen emitterisignaalivirran parittomat harmoniset komponentit perustaajuus mukaan lukien kumoutuvat vastakkaisvaiheisina pois, eikä induktanssin läpi näin ollen kulje kuin DC-biasvirta (ja mahdolliset parilliset harmoniset virtakomponentit).
Vahvistimien käyttöjännitteiden laskiessa maatason heilahtelu aiheuttaa ongelma. Alempi käyttöjännite laskee vahvistimen optimikuormaimpedanssitasoa. Koska emitteri-induktanssi ei skaalaudu pienemmäksi käyttöjännitteen mukana, vaan säilyy vakiona säilyttäen saman impedanssiarvon, sen vaikutus korostuu entistä enemmän verrattuna itse vahvistimen alenevaan optimikuormaimpedanssitasoon.
Simuloinnit osoittavat, että 3,5 voltin käyttöjännitteellä 900 megahertsillä 200 pikohenryn emitteri-induktanssi pudottaa kolmen watin lähtöteholla B-luokkaan biasoidun ideaalisen yksipäisen vahvistinasteen vahvistusta 13 desibelistä neljään desibeliin ja hyötysuhdetta 62 prosentista 31 prosenttiin. Vastaavasti vuorovaihetyyppisen vahvistimen tapauksessa vahvistus putoaa vain kaksi desibeliä ja hyötysuhde 9 prosenttiyksikköä. Suuremmilla taajuuksilla (esimerkiksi 2 GHz) emitteri-induktanssin vaikutus on vieläkin haitallisempi.
Vahvistinta suunniteltaessa ja simuloitaessa on emitteri-induktanssin huomioonottaminen hankalaa, koska sen arvoa ei tunneta kovin tarkasti. Asteiden välisten sovituspiirien komponenttiarvot riippuvat seuraavan asteen tuloimpedanssitasosta. Tämä taas määräytyy itse transistorin tuloimpedanssista, mutta suurelta osin myös emitterillä olevasta parasiittisesta induktanssista. Välisovituspiirin suunnittelun onnistuminen ratkaisee suurelta osin sen, kuinka hyvin teho välittyy seuraavaan asteeseen, ja kuinka suuri vahvistus ja hyötysuhde saavutetaan.
Vuorovaihevahvistimen muita ominaisuuksia
Vuorovaihepiiritopologia tuo mukanaan muitakin vahvistimen ominaisuuksia parantavia asioita. Yhden vahvistinhaaran koko on puolet yksipäisen vahvistinasteen koosta, jolloin optimi-impedanssi vastaavasti nousee kaksinkertaiseksi. Suurempien impedanssitasojen ansiosta pienihäviöisten sovituspiirien toteutus on helpompaa. Koska yksittäisten vahvistinasteiden vahvistus on suurempi, kolmeasteinen yksipäinen vahvistin voidaan mahdollisesti korvata kaksiasteisella vuorovaihetyyppisellä vahvistimella. Tämä pienentää integroidun piirin kokoa säästäen puolijohdekiekon pinta-alaa.
Piirin suunnittelun selkeys ja soveltuvuus massatuotantoon ovat tärkeitä kriteerejä kaikille piiritopologioille. Piirin ollessa epäherkempi muun muassa emitterin parasiittisille elementeille, on suunnittelu paremmin hallittavissa ja virittämisen tarve vähenee helpottaen ja nopeuttaen tuotantoprosessia.
Myös vuorovaihevahvistimien stabiilisuus on osoittautunut paremmaksi kuin yksipäisten vahvistimien, joissa vahvistuksen maksimoimiseksi on jouduttu tekemään kompromissi stabiilisuuden ja riittävän vahvistuksen välillä. Vuorovaihetopologia on luontaisesti yhteensopiva differentiaalisten rakenteiden, kuten modulaattorien ja differentiaalisten vahvistus- ja säätöasteiden kanssa, jotka ovat tyypillisesti tehovahvistinta edeltäviä asteita lähetinketjuissa.
Vuorovaihetopologialla on myös muutama haittapuoli verrattaessa yksipäiseen vahvistintopologiaan. Sovituspiirit vaativat enemmän komponentteja, koska sovitettavia lähtöjä ja välisovituspiirejä on kaksinkertainen määrä. Toisaalta mahdollinen yhden asteen poistuminen tasoittaa tilannetta. Samoin biasointi-, tehonjako- ja tehonyhdistämispiirit tarvitsevat ylimääräisiä komponentteja. Kaikki nämä kuluttavat myös enemmän piirilevyn pinta-alaa.
Hyvä balanssi sekä itse piirillä että piirilevyllä olevien haarojen kesken on olennaista koko piirin toiminnalle. Tämän vuoksi myös passiiviset elementit tulisi integroida itse puolijohteelle, koska komponenttiarvojen hajonta integroidulla piirillä on hyvin pieni. Suurin haaste hyötysuhteen kannalta on kuitenkin vahvistimen lähtöpuolen mahdollisimman pienihäviöisen tehonyhdistämispiirin suunnitteleminen.
Integroitu tehovahvistinpiiri
Tähän päivään mennessä integroidut tehovahvistimet on toteutettu lähes yksinomaan GaAs-pohjaisilla (Gallium Arsenide) puolijohdeprosesseilla. Tämä johtuu osittain siitä, että näissä prosesseissa on tarjolla pieni-induktanssinen reikä (via) läpi puolijohdepalan, jolla transistoriasteiden näkemä emitteri-induktanssi saadaan suhteellisen alhaiseksi.
Pii-pohjaisissa prosesseissa tätä mahdollisuutta ei ole, vaan emitteriliitännät on tuotava ulos piiriltä käyttäen liitäntälankoja, joiden induktanssi on vähintään kertaluokkaa suurempia kuin via-reiän induktanssi. Jos myös tehovahvistinsovellutuksissa halutaan hyödyntää pii-prosessien tarjoama suuri kiekkokoko ja siitä johtuvat huomattavasti suuremmat tuotantovolyymit, edellytyksenä on, että piiri toimii riippumatta emitteri-induktanssin suuruudesta. Vuorovaihetopologia on yksi potentiaalinen ratkaisu tähän ongelmaan.
Tämän suunnittelukierroksen tavoitteena oli tutkia muun muassa, kuinka pienin häviöin vuorovaihetyyppisen rakenteen haarojen tehon yhdistäminen voidaan toteuttaa käytännössä. Eli miten suuri hyötysuhde ja vahvistus voidaan saavuttaa. Mittaamalla kunkin asteen ja haaran virrat erikseen voidaan lisäksi tarvittaessa tarkkailla eri haarojen käyttäytymistä. Näin saadaan selville, kuinka herkkä piiri on ulkoisten sovituspiirielementtien komponenttiarvoissa oleville vaihteluille ja miten tästä johtuva haarojen epäbalanssi vaikuttaa asteiden ja koko vahvistimen toimintaan.
Tehovahvistimen käytännön toteutus
Lähtökohtana oli integroida vuorovaihetopologian omaava, lähtöteholtaan kolmiwattinen B-luokan GSM900-tehovahvistin (890-915 MHz) 3,5 voltin käyttöjännitteelle. Piiri valmistettiin kaupallista valmistajan GaAs-HBT-prosessilla (heteroliitosbipolaaritransistori). Suunnitellun MMIC-piirin koko oli 1,2 x 1,3 millimetriä.
Osa asteiden välisestä sovituspiiristä toteutettiin itse piirillä ja vain kelat sijoitettiin testilevylle. Välisovituspiiriksi valittiin ylipäästötyyppinen topologia (sarja-C, rinnakkais-L, sarja-C), joka pienentää vahvistusta alhaisilla taajuuksilla parantaen vahvistimen stabiilisuutta. Vahvistimen suorituskyvyn optimoimiseksi välisovituspiiriä oli mahdollista säätää virittämällä piirillä olevia kapasitansseja laserilla.
Myös lähtöasteen rinnakkaistakaisinkytkentäpiiriä voitiin virittää laserilla. Optimikuormaimpedanssin saavuttamiseksi tarvittiin lähtöpuolella toisen harmonisen taajuuden oikosulkeva resonanssipiiri. Tähän tarvittava kapasitanssi integroitiin lähtöasteiden kollektoreiden viereen. Liitäntälanka toimi resonanssipiirin induktanssina.
Piiri kiinnitettiin ja testattiin pienihäviöisellä yksikerrospiirilevyllä. Tulo- ja lähtösovituspiirit toteutettiin kondensaattoreilla ja mikroliuskoilla, samoin lähtöpuolen baluni, joka oli yhdistetty sovituspiiriin. Tulopuolella signaali muutettiin differentiaaliseksi muuntajan avulla. Sekä puolijohdepiiri että piirilevy suunniteltiin RF-simulointityökaluja käyttäen.
Edellytyksenä onnistuneelle lopputulokselle, jossa simulointi- ja mittaustulokset osuivat riittävän hyvin kohdalleen, oli piirilevyn mikroliuskojen, passiivisten komponenttien sijaiskytkentöjen ja liitäntälankojen tarkka mallinnus ja huomioonottaminen simuloinneissa. Pulssitetuissa mittauksissa tehovahvistimesta mitattu korkein lähtöteho taajuudella 915 megahertsiä ja käyttöjännitteellä 3,5 volttia oli 3,2 wattia (34,4 dBm). Suurimmaksi vahvistukseksi tälle kaksiasteiselle tehovahvistimelle mitattiin 36 desibeliä(!) ja suurimmaksi kokonaishyötysuhteeksi (PAE) 57 prosenttia.
Kaksiasteinen piitehovahvistin seuraavaksi
Yhteenvetona voidaan todeta, että integroidun tehovahvistimen saamat alustavat tulokset vuorovaihetopologiasta ovat rohkaisevia. Vahvistimen suorituskyky oli vähintään yhtä hyvä kuin perinteisten yksipäisten tehovahvistimien.
Seuraavassa vaiheessa on tavoitteena suunnitella vastaavanlainen kaksiasteinen tehovahvistin, mutta nyt pii-pohjaisella prosessilla. Näin saadaan toivottavasti selventävä vastaus sille, kuinka hyvin teorian ennustama epäherkkyys maadoitusinduktanssille on saavutettavissa vuorovaiherakenteella, ja miten hyvin nämä pii-prosessit soveltuvat tältä kannalta integroitujen tehovahvistimien toteuttamiseen.
Puolijohdeprosessit asettavat vielä rajoituksia passiivisten komponenttien integroimiselle puolijohteille. Koko vahvistinmoduulia kaikkine sovitus- ja tehonyhdistämispiireineen ei voida vielä lähitulevaisuudessa toteuttaa yhdellä puolijohdepalalla. Näin ollen integroitu tehovahvistin tarvinnee seurakseen vielä ulkoisia passiivikomponentteja, jotka tulevaisuudessa voidaan ehkä integroida kotelon alustamateriaaliin.
Aiheesta enemmän
Helfenstein, Moschytz: Circuits and Systems for Wireless. Kluwer, 2000.
Matilainen, Nummila, Kalajo, Järvinen: An Integrated 900-MHz Push-Pull Power Amplifier, IEEE Microwave Symposium, Boston, June 2000.
Cripps: RF Power Amplifiers for Wireless. Artech House, 1999.
The wireless Internet will introduce revolutionary new applications that pave the way toward a mobile information society. Third generation mobile communication systems and broadband wireless access systems will play the key role in enabling wireless Internet.
Because of rapidly increasing system complexity, wireless terminal manufacturers face huge challenges in ensuring fast product creation. In the radio frequency section, the main challenge is to achieve high overall linearity with low power consumption and low implementation complexity. Driven by the mobile phone business the implementation technologies for the RF front-end are also developing rapidly.
In this article these challenges will be discussed and an integrated power amplifier design will be described as an example of the RF research in the ARSENIDE project at Nokia Research Center. Authors are Petteri Alinikula (petteri.alinikula@nokia.com), Deputy Head of Electronics Laboratory and Kari Maula, Assistant Research Manager of RF-technology at Nokia Research Center.
The project is belongs to the ETX programme.
Taustat Kirjoittajat: Petteri Alinikula, Deputy Head, Electronics Laboratory, Nokia Research Center ja Kari Maula, Assistant Research Manager, RF-technology, Nokia Research Center.
Yhteystieto: petteri.alinikula@nokia.com
Tutkimus: ARSENIDE
Teknologiaohjelma: ETX