Jste zde

Výkonové zesilovače pro WiFi pomocí jednoho integrovaného obvodu

Antonín Vojáček, 4. Únor 2008 - 0:00

Zesilovače, a nejen ty nízkofrekvenční, ale dnes i ty vysokofrekvenční výkonové se již nerealizují prostřednictvím propojení diskrétních tranzistorů, ale pomocí integrovaných obvodů. Například zesílení vysokofrekvenčního GHz signálu bezdrátové WiFi komunikace standardu IEEE802.11g nebo IEEE802.11a lze provést vcelku snadno pomocí integrovaných zesilovačů Freescale. Více v tomto článku ...

Ten, kdo se nějakou dobu zabýval radioelektronikou mi jistě dá za pravdu, že navrhnout a vytvořit opravdu kvalitní výkonový zesilovač pro vysoké nosné kmitočty není vůbec jednoduché a čím je frekvence vyšší tím obtížnější je to úkol. Jak tedy vytvořit zesilovač na kmitočtech jednotek GHz například pro bezdrátovou síť WLAN (WiFi)? Lze k tomu použít výkonové zesilovače v nabídce společnosti Freescale Semiconductor, poskytující zisk a výstupní výkon téměř na hranici 30dB, resp. 30 dBm. Protože i přesto není úplně jednoduché navrhnout vhodnou desku plošných spojů (DPS), protože zde již i malé odpory a kapacity cest mají velký vliv na signál, je v datasheetu každé součástky i návod, jak by měla vhodná DPS vypadat.

Pro frekvence jednotek GHz nelze již také použít běžnou konstrukci bipolárních či unipolárních tranzistorů, protože ty buď nevyhovují frekvenční závislostí (odezvou), nebo mají nevhodné vstupní a výstupní odpory a kapacity. K tomuto účelu však dobře vyhovuje tzv. heterogenní struktura (konstrukce) bipolárního tranzistoru označená jako HBT (Heterojunction Bipolar Transistor Technology) tvořená materiály Indium, Galium, fosfor. Dohromady tak označují tranzistor jako InGaP HBT. Z těchto tranzistorů jsou pak složeny i následující integrované zesilovače MMG2401 a MMG5004.

WLAN IEEE802.11g zesilovač MMG2401

Zesilovač MMG2401NR2 pro bezdrátové lokální sítě WLAN společnosti Freescale, umožňuje snadnou realizaci zesílení signálu WiFi sítí standardu IEEE802.11g pracující s kmitočtem 2.4 GHz ve volném ISM pásmu jen s pomocí jednoho integrovaného zesilovače tvořeného heterogenními bipolárními tranzistory HBT a několika kondenzátorů. Hodnoty odporů na těchto vysokých frekvencích (nad 1 GHz) již od rezistorů přebírají impedance vodivé cesty určitých přesných rozměrů. Zde se totiž již silně uplatňuje vliv parazitní kapacity a impedance. Z tohoto pohledu je tak vhodné dodržet níže uvedené hodnoty impedancí ve schématu označené jako Z1 a Z2, tedy přesněji rozměry "proužků" 2.5 x 13.4875 mm (0.1" x 0.5395") vodivých cest desky plošných spojů s tloušťkou 12.5 mikrometrů a relativní kapacitou εr = 3.8, i hodnot SMD kondenzátorů C1 až C15 a jedné cívky (indukčnosti) L1. Napájení obvodu je typicky 3.3 V DC, ale obvod "vydrží" napětí až 5 V.

Samotný integrovaný zesilovač je tvořen dvěma zesilovacími stupni (stage 1 a stage 2) s již zmíněnými HBT tranzistory, přičemž každý má přivedené svoje základní napájení VB1 a VB2 a napájení kolektorů (VCC1 a VCC2). Společné celému zesilovači je pak řídící napětí VBIAS. Vstup RFin je pak stejnosměrně zkratován k zemnící svorce a kapacitně propojen se vstupem prvního zesilovacího stupně. Výkonový výstup RFout z druhého zesilovacího stupně je pak stejnosměrně propojen s napájecím napětí a měl by tak být stejnosměrně blokován sériově zapojeným kondenzátorem. Napěťový výstup VOUT slouží k bezproblémovému připojení měřiče pro potřeby měření či indikace výstupního napětí zesilovače. Rozdíl napětí VOUT a výstupního referenčního napětí VREF (tj. VOUT - VREF) je pak užitečný pro sledování závislosti změny výstupního napětí na změně okolní teploty. Nakonec centrální zemnící svorka GND je připojena jak k stejnosměrné napájecí zemi, tak střídavé signálové.

Základní vlastnosti (při VCC = 3.3V, VB1 = VB2 = 2.9 V, VBIAS = 3 V):

  • Výstupní výkon: typ. 26.5 dBm na frekvenci 2450 MHz
  • Výkonové zesílení: typ. 27.5 dB při výstupním výkonu P = 19 dBm na frekvenci 2450 MHz
  • Frekvenční rozsah: 2400 až 2500 MHz
  • Třída zesilovače: AB
  • Plochost křivky zesílení +/- 100 MHz: 0.2 dB
  • Pracovní teplota: -40 až 85 °C
  • Změna zesílení v rozsahu prac. teploty: 1 dB
  • Ztráty odrazem na vstupu: typ. 7 dB
  • Napájení: typ. 3.3 V
  • Spotřeba: max. 250 mA
  • Pouzdro: QFN 3x3
  

Výrobcem doporučené použití a zapojení integrovaného zesilovače pro WiFi / WLAN IEEE802.11g (vlevo) a vhodné provedení DPS Getek ML200M (0.005", εr = 3.8)

Součástka

Hodnota součástky

Freescalem doporučený výrobce

Freescalem doporučený typ

C1, C6

1 mikroF

AVX

12065A105JAT2A

C2, C7

0.1 mikroF

AVX

12065A104JAT2A

C3, C8

0.01 mikroF

AVX

12065A103JAT2A

C4, C9, C11, C12

100 pF

AVX

08055A101FAT2A

C5, C10, C13, C14, C15

20 pF

AVX

12065A200CAT2A

L1

7.5 nH

Coilcraft

0402CS-7N5XJBC

Z1, Z2

2.54 x 13.7033 mm (0.1" x 0.5395") Microstrip

Getek

DPS Getek ML200M

Hodnoty součástek uvedených ve schématu a Freescalem doporučený typ a výrobce

WLAN IEEE802.11a zesilovač MMG5004

Zesilovač MMG5004N společnosti Freescale pak proti předchozímu modelu slouží pro bezdrátové WLAN sítě standardu IEEE802.11a pracující s nosnou frekvencí 5 GHz. Doplněný o 11 kondenzátorů C1 až C11 a 5 impedancí Z1 až Z5 opět realizovaných jako vodivé cesty určitých přesných rozměrů. Z tohoto pohledu je výroba DPS daleko složitější než v prvém případě u obvodu MMG2401. Impedance ("proužky") označené jako Z1 až Z5, mají různé rozměry vodivých cest desky plošných spojů s tloušťkou 12.5 mikrometrů a relativní kapacitou εr = 3.8 (viz rozpis níže). Kondenzátory C1 až C11 jsou opět v provedení SMD a již se v zapojení neobjevuje cívka. Napájení obvodu je 3.3 V DC.

Samotný integrovaný zesilovač opět využívá technologii heterogenních bipolárních tranzistorů HBT z InGaP, ale tentokrát jej tvoří již tři zesilovací stupně (stage 1, stage 2 a stage 3), přičemž každý má opět přivedené svoje řídící napětí VB1, VB2 a VB3 (Bias current control voltage) a napětí k napájení kolektorů (VCC1, VCC2 a VCC3). Výsledkem je tedy zesílení až 24 dB na 5.25 GHz. Společné celému zesilovači je pak vychylovací napětí Vbias. Jinak signálový vstup RFin je stejně jako v prvním případě stejnosměrně zkratován k zemnící svorce a kapacitně propojen se vstupem prvního zesilovacího stupně a signálový výkonový výstup RFout z třetího zesilovacího stupně je také stejnosměrně propojen s napájecím napětí a měl by tak být stejnosměrně blokován sériově zapojeným kondenzátorem. Přítomné napěťové výstupy VOUT a VREF mají stejnou funkci jako u obvodu MMG2400. Centrální zemnící svorka GND je opět připojena jak ke stejnosměrné napájecí zemi, tak střídavé signálové.

Základní vlastnosti (při VCC = 3.3V, VB1 = VB2 = VB3 = 2.8 V, VBIAS = 3 V):

  • Výstupní výkon: typ. 23 dBm na frekvenci 5250 MHz
  • Výkonové zesílení: typ. 24 dB při výstupním výkonu P = 18 dBm, OFDM, 64 QAM, 54 Mbps
  • Frekvenční rozsah: 4900 až 5900 MHz
  • Třída zesilovače: AB
  • Plochost křivky zesílení +/- 100 MHz: 0.2 dB
  • Pracovní teplota: -40 až 85 °C
  • Změna zesílení v rozsahu prac. teploty: 1 dB
  • Ztráty odrazem na vstupu (IRL): typ. - 15 dB
  • Napájení Vcc: typ. 3.3 V
  • Spotřeba: max. 200 mA
  • Pouzdro: QFN 3x3
  

Výrobcem doporučené použití a zapojení integrovaného zesilovače MMG5004N pro WLAN IEEE802.11a (vlevo) a vhodné provedení DPS Getek ML200M (0.005", εr = 3.8)

Součástka

Hodnota součástky

Freescalem doporučený výrobce

Freescalem doporučený typ

C1, C3, C5

100 pF

AVX

08055A101FAT2A

C2, C4, C6

1 mikroF

AVX

12065A105JAT2A

C7, C8, C9

27 pF

AVX

06035A270FAT2A

C10

0.7 pF

AVX

04025J0R788W

C11

11 pF

AVX

06035A220FAT2A

Z1

0.254 x 14.122 mm (0.010” x 0.556”) Microstrip

Getek

Getek ML200M

Z2

0.254 x 10.287 mm (0.010” x 0.405”) Microstrip

Getek

Getek ML200M

Z3

0.254 x 2.692 mm (0.010” x 0.106”) Microstrip

Getek

Getek ML200M

Z4

0.1016 x 8.382 mm (0.004” x 0.330”) Microstrip

Getek

Getek ML200M

Hodnoty součástek uvedených ve schématu a Freescalem doporučený typ a výrobce

Závěr

Integrované výkonové WLAN zesilovače Freescale jsou jednou z možností, jak je možné WiFi signál zesílit před jeho vysláním anténou například AP jednotky nebo realizovat opakovač pro prodloužení dosahu vysílače. Pro další bližší informace o WLAN zesilovačích odkazuji na stránku Freescalu
http://www.freescale.com/webapp/sps/site/taxonomy.jsp?nodeId=01J4Fs48456858.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře

diw - 11. Únor 2008 - 12:08

autor zkopirovat datasheet, tot vse. Bez skutecnych dat se zda clanek bezceny. Vypadly parametry jako EVM ci ASPR, ktere jsou pro linearni modulace zakladni ukazatel kvality. Mj. technologie HBT nedovoluje pouzit vyssi napeti, tedy i vetsi vykon, ci vykonovou rezervu pro cip. Vcelku vzato, cely tento cip je picovina, freenscale neumi delat cipy pro mikrovlnne aplikace.