Il GaN rompe le barriere: largo agli amplificatori di potenza RF

L’aumento delle bande di trasmissione nelle telecomunicazioni e della precisione nei controlli industriali sta spingendo verso l’alto la frequenza operativa dei sistemi a Radiofrequenza. Molti di questi sistemi funzionano su uno spettro di frequenze piuttosto ampio e le richieste di ulteriori aumenti della larghezza di banda sono piuttosto comuni nei nuovi progetti. Su molti di questi sistemi si spinge per l’utilizzo di un’unica piattaforma di condizionamento del segnale su tutte le bande di frequenza. L’innovazione della tecnologia dei semiconduttori ha portato a notevoli progressi nelle prestazioni degli amplificatori a radiofrequenza aumentando la potenza ed allargando la banda operativa. Un’area che in precedenza era dominata dalla tecnologia Traveling Wave Tube ha iniziato a cedere terreno ai dispositivi a semiconduttore, grazie alla rivoluzione GaN, che sta pervadendo l’industria e consentendo la realizzazione di MMIC che generano potenze maggiore di 1 W su molte decadi di banda. Con l’arrivo di transistor GaAs e GaN con una lunghezza di gate ridotta, accoppiati con nuove tecniche di progettazione, si stanno rendendo disponibili nuovi dispositivi in grado di operare tranquillamente fino a lunghezze d’onda millimetriche, aprendo a nuove applicazioni difficilmente contemplabili fino a dieci anni fa. Questo articolo descriverà brevemente la situazione attuale della tecnologia a semiconduttore che sta rendendo possibili questi sviluppi, con considerazioni progettuali per raggiungere prestazioni ottimali, nonché esempi di amplificatori di potenza (PA) a banda larga sia GaAs che GaN che dimostrano le potenzialità della tecnologia odierna.
Molti sistemi elettronici wireless funzionano su bande di frequenza piuttosto ampie. Nel settore militare, esistono bande radar da poche centinaia di MHz a svariati GHz. Ci sono sistemi di guerra elettronica e di contromisure elettroniche che devono lavorare con larghezza di banda molto ampia. Di questi tempi, le minacce possono provenire da frequenze molto diverse, dal MHz a 20 GHz o anche superiori. Dato che la disponibilità di componenti adatti a frequenze più elevate è in aumento, è prevedibile che anche le richieste per sistemi di guerra elettronica su altissima frequenza siano destinate a proliferare. Nel campo delle telecomunicazioni, le stazioni base funzionano da 450 MHz a ~3.5 GHz, e la richiesta per una maggior larghezza di banda continua a crescere.
I sistemi di comunicazione satellitare operano principalmente dalla banda C (4-8GHZ) alla Ka (26,6-40GHZ). Per essere universalmente accettata, la strumentazione utilizzata per questi diversi sistemi deve poter lavorare su tutte le frequenze richieste. Di conseguenza, l’ingegneria dei sistemi risponde alle sfide cercando di progettare elettroniche che coprano l’intero intervallo di frequenza. Data la possibilità di avere una catena di segnale unica per coprire l’intera gamma di frequenze, si prevede grande interesse da parte dei progettisti e dei responsabili acquisti. Ci sono molti vantaggi nell’avere una catena di segnale unica che copre l’intera gamma di frequenze, come architetture meno complesse, time to market più rapido, meno componenti da gestire e altro ancora. La sfida con l’approccio a catena di segnale unica è però spesso correlata al degrado delle prestazioni, provocata dal fatto di lavorare a banda larga rispetto al lavorare a banda stretta. Al centro di questa sfida si trova l’amplificatore di potenza che di solito offre prestazioni superiori in termini di potenza e efficienza, quando è realizzato per lavorare a banda stretta.

La tecnologia a semiconduttore
Nel passato, gli amplificatori a tubi a onda progressiva o “traveling wave tube” (TWT) sono stati impiegati come stadi d’uscita in molte delle soluzioni a larga banda, dominando il mercato dell’elettronica ad alta potenza. I TWT possiedono molte caratteristiche positive, comprese la capacità di gestire potenze di svariati kW, possibilità di funzionamento su una ottava o anche multipli di ottava di banda, alta efficienza in condizione di back off, buona stabilità in temperatura. Gli svantaggi dei TWT sono la scarsa affidabilità sul lungo periodo, efficienza ridotta, necessità di tensioni di lavoro estremamente elevate (~1 kV o superiori). Data l’affidabilità a lungo termine dei componenti a semiconduttore, per anni si è avuta la motivazione per l’utilizzo di questo tipo di elettronica, a partire dall’Arseniuro di Gallio (GaAs). Quando possibile, molti progettisti hanno lavorato associando più dispositivi GaAs per generare potenze d’uscita più elevate. Intere aziende sono nate basandosi completamente sulle tecnologie a combinazione. Ci sono diversi tipi di tecnologie a combinazione, come quella multistadio (Spatial) e quella strutturata (Corporate). Tutte queste tecniche di combinazione soffrono delle medesime problematiche, in quanto le combinazioni introducono perdite, e quindi sarebbero, in linea di principio, da evitare. Questo ci induce a iniziare un progetto partendo direttamente dalle tecnologie al alta potenza.
Il modo più semplice per aumentare la potenza RF di un amplificatore consiste nell’aumentare la tensione di lavoro, il che ha reso interessanti le tecnologie basate sui transistor al nitruro di gallio (GaN). Se confrontiamo le diverse tecnologie a semiconduttore, possiamo vedere come con le tecnologie IC ad alta tensione generalmente la potenza aumenti. La tecnologia al silicio-germanio (SiGe) usa una tensione di funzionamento relativamente bassa, da 2 V a 3 V, ma risulta molto interessante per i vantaggi che offre nei processi di integrazione. Per molti anni, il GaAs è stato ampiamente utilizzato degli amplificatori di potenza nel campo delle microonde, con operative da 5 V a 7 V. La tecnologia a componenti LDMOS in silicio, che funzionano a 28 V, è usata da molti anni nelle telecomunicazioni, ma risulta utile principalmente sotto i 4 GHz, per cui non è utilizzata in modo altrettanto diffuso nelle applicazioni a banda larga. L’arrivo della tecnologia GaN con funzionamento da 28 V a 50 V su un substrato a basse perdite, ad alta conduttività termica come il carburo di silicio (SiC), ha aperto un ventaglio di nuove opportunità. Comunque oggi, la tecnologia GaN su silicio è limitata al funzionamento al di sotto dei 6 GHz. Le perdite RF associate al substrato di silicio e la sua conduttività termica inferiore, in confronto al SiC, compromettono il guadagno, l’efficienza e la potenza all’aumentare della frequenza operativa.
La Figura 1 mostra un confronto tra le varie tecnologie a semiconduttore e il rispettivo posizionamento nel piano frequenza/potenza.

Figura 1. Un confronto tra diverse tecnologie di elettronica di potenza nel campo delle microonde.

L’arrivo della tecnologia GaN ha allontanato l’industria dagli amplificatori TWT, a favore degli amplificatori GaN come stadio d’uscita per molti dei nuovi sviluppi. Ad oggi, l’amplificatore di pilotaggio è ancora comunemente di tipo GaAs, dato che si tratta di una tecnologia molto diffusa e in continua evoluzione.
Nella sezione seguente si mostrerà come le tecniche di progetto permettano di massimizzare la potenza, la larghezza di banda ed l’efficienza degli amplificatori di potenza. Sebbene i progetti basati su GaN siano in grado di erogare potenze più elevate rispetto a quelli realizzati su GaAs, le considerazioni di progetto sono esattamente le stesse.

Considerazioni di progetto
Durante le fasi iniziali del progetto di un amplificatore di potenza, il progettista può partire da differenti topologie e considerazioni per ottimizzare potenza, efficienza e larghezza di banda. Il tipo di progetto più comune di amplificatore monolitico è un multi-stadio common-source a transistori, noto anche come amplificatore in cascata. In questo caso il guadagno si moltiplica stadio per stadio, arrivando a livelli elevati e consentendo di aumentare le dimensioni del transistor d’uscita per incrementare la potenza RF. In questo caso il GaN ha i suoi vantaggi, perché permette di semplificare notevolmente i combinatori d’uscita, riducendo le perdite e quindi aumentando l’efficienza, così come di ridurre le dimensioni del die, come illustrato in Figura 2. Di conseguenza, si è in grado di raggiungere larghezze di banda più ampie e migliorare le prestazioni. Nella migrazione dai dispositivi GaAs ai GaN, un vantaggio meno scontato riguarda la dimensione del transistor, che per raggiungere un dato livello di potenza RF – per esempio 4 W – risulterà inferiore, permettendo di ottenere un guadagno più elevato per ogni stadio. Questo porterà alla riduzione del numero degli stadi del progetto e a un livello di efficienza decisamente più alto. Con la tecnica dell’amplificatore in cascata, la sfida consiste, anche con la tecnologia GaN, nella difficoltà di raggiungere larghezze di banda superiori all’ottava senza compromettere significativamente potenza ed efficienza.

Figura 2. Confronto tra un PA multistadio GaAs PA e l’equivalente GaN.

L’accoppiatore di Lange
Uno degli approcci che permettono di realizzare progetti a larghezza di banda elevata consiste nell’implementare un’architettura bilanciata con accoppiatori di Lange all’ingresso e uscita RF, come illustrato in Figura 3. In questo caso la Return Loss (attenuazione di riflessione) dipende principalmente dal progetto del circuito di accoppiamento, e diventa più semplice ottimizzare il guadagno e la potenza nella banda operativa senza avere la necessità di ottimizzare anche la Return Loss. Pur utilizzando gli accoppiatori di Lange, rimane difficile raggiungere larghezze di banda superiori all’ottava, ma questi conferiscono comunque al progetto un buon valore di Return Loss.

Figura 3. Un amplificatore bilanciato che utilizza gli accoppiatori di Lange.

Amplificatore distribuito
Un’altra topologia da prendere in considerazione è quella dell’amplificatore a potenza distribuita illustrata in Figura 4. Il vantaggio di un amplificatore a potenza distribuita si ottiene incorporando gli effetti parassiti del transistor nei circuiti di accoppiamento tra dispositivi. Le capacità di ingresso e di uscita del dispositivo si possono combinare con l’induttanza delle linee di gate e di drain, rispettivamente, per rendere le linee di trasmissione virtualmente trasparenti, con l’esclusione della perdita di linea. In questo modo, il guadagno dell’amplificatore è limitato soltanto dalla transconduttanza del dispositivo e non dalle capacità parassite associate al medesimo. Questo avviene solamente se il segnale attraverso la linea di gate è in fase con quello attraverso la linea di drain, di modo che la tensione in uscita da ciascun transistor si sommi in fase a quella dell’uscita del transistor precedente. Il segnale diretto all’uscita interferirà in modo costruttivo, in modo tale da crescere lungo la linea di drain. Qualsiasi onda riflessa interferirà invece in modo distruttivo, dato che i segnali non sono in fase. La terminazione della linea di gate è stata inserita per assorbire qualunque segnale non accoppiato ai gate dei transistor, mentre la terminazione della linea di drain ha il compito di assorbire qualsiasi onda di ritorno che possa interferire distruttivamente col segnale d’uscita e di migliorare la Return Loss alle basse frequenze. Ne risulta la possibilità di realizzare svariate decadi di banda, dal kHz a diversi GHz. Questa topologia è utilizzata quando è necessaria una banda superiore all’ottava, e presenta anche diversi altri vantaggi, quali una curva di guadagno piatta, un buon valore di Return Loss, potenza elevata, etc. Nella Figura 4 viene illustrato lo schema di principio di un amplificatore distribuito.

Figura 4. Lo schema a blocchi semplificato di un amplificatore distribuito.

La sfida di progetto con gli amplificatori distribuiti è che il livello di potenza che si può ottenere è condizionato dalla tensione applicata al dispositivo. Difatti dal momento che non si ha un accoppiamento a banda stretta, si sta fornendo al transistor un’impedenza prossima a 50 Ω. Quando consideriamo l’equazione per il calcolo della potenza media d’uscita di un amplificatore di potenza, il valore di RL o resistenza di carico ottimale, diventa essenzialmente la suddetta 50 Ω. Pertanto, la potenza d’uscita raggiungibile è determinata dalla tensione applicata all’amplificatore, e per aumentare la prima dovremo incrementare la seconda.

Questo è il caso in cui il GaN risulta molto utile, dato che si può salire velocemente dalla tensione di alimentazione di 5 V del GaAs fino a 28 V nel caso del GaN, e la potenza raggiungibile passa da 0,25 W a quasi 8 W semplicemente spostandoci dalla tecnologia GaAs alla GaN. Ci sono comunque altre sfide legate alla tecnologia GaN, come lunghezza del gate che si può ottenere con i processi di lavorazione attualmente disponibili, e la possibilità di raggiungere il guadagno richiesto alle frequenze più elevate. Ci si aspetta che queste problematiche divengano sempre più approcciabili con il miglioramento dei processi basati su GaN.
Messo a confronto, il valore fisso di RL (a 50 Ω) per gli amplificatori distribuiti risulta diverso rispetto a quello degli amplificatori in cascata nei quali, per ottimizzare la potenza in uscita, si cambia il valore di resistenza presentato al transistor tramite circuiti di compensazione. Nel caso degli amplificatori in cascata, nell’ottimizzare il valore di resistenza presentata al transistor si può aumentare la potenza RF. In linea teorica, per incrementare la potenza RF potremmo continuare ad aumentare le dimensioni della periferia del transistor, ma ci sono delle limitazioni pratiche, quali complessità, dimensione del die e perdite da combinazione. I circuiti di compensazione tendono anche a limitare la larghezza di banda, dato che rendono difficile fornire un’impedenza ottimale su ampie bande di frequenza. Nell’amplificatore a potenza distribuita, invece dei circuiti di compensazione ci sono solo linee di trasmissione, il cui scopo è far sì che i segnali interferiscano costruttivamente lungo l’amplificatore stesso. Per aumentare ulteriormente la potenza degli amplificatori distribuiti esistono anche altre tecniche, come quella di usare una topologia di amplificazione a cascode, e incrementare ulteriormente la tensione di alimentazione all’amplificatore stesso.

Sommario
In questo articolo abbiamo illustrato l’esistenza di varie tecniche e tecnologie a semiconduttore, utilizzate per ottenere livelli ottimali di potenza, efficienza e larghezza di banda. Ciascuna di queste differenti topologie e tecnologie avrà, con ogni probabilità, un proprio posto nel mondo dei semiconduttori, dato che ognuna di esse presenta dei vantaggi, che ne hanno giustificato la sopravvivenza fino ad oggi. Ora ci concentreremo su alcuni risultati che crediamo possano mostrare tutte le potenzialità di queste tecnologie per raggiungere livelli di potenza, efficienza e larghezza di banda elevati.

Stato dell’arte attuale
Daremo uno sguardo a un amplificatore a potenza distribuita basato su GaAs, in grado di operare dalla dc a 30 GHz, un prodotto rilasciato da Analog Devices, l’HMC994A. Questo componente è piuttosto interessante perché copre molte decadi di banda, permette svariate applicazioni e raggiunge livelli elevati di potenza e efficienza. Le prestazioni sono illustrate in Figura 5, dove osserviamo il grafico della potenza di uscita in saturazione che copre dal MHz fino a 30 GHz con valori di oltre 1 W e una “Power Added Efficiency” (PAE) nominale del 25%. Questo particolare prodotto possiede anche una robusta prestazione di 38 dBm nominali sull’intercetta di terzo ordine (third-order intercept, TOI). Questo risultato dimostra che con i progetti basati su GaAs siamo in grado di raggiungere un livello di efficienza che si avvicina a quello che è possibile ottenere tipicamente per amplificatori di potenza a banda stretta. Pendenza positiva del guadagno rispetto alla frequenza, PAE elevato, prestazioni di potenza su banda larga e una ottima Return Loss, rendono l’HMC994A un prodotto molto interessante.

Figura 5. Guadagno, potenza e PAE su frequenza dell’HMC994A.

È altrettanto interessante vedere cosa si possa ottenere con la tecnologia basata su GaN. Analog Devices offre un prodotto standard, l’HMC8205BF10, realizzato su GaN, che combina alti valori di potenza, efficienza e larghezza di banda. Questo prodotto, alimentato a 50V, fornisce una potenza RF di 35 W con un efficienza nominale del 35%, ed un guadagno di potenza intorno ai 20 dB, coprendo oltre una decade di banda. In questo caso, un singolo IC è in grado di fornire una potenza approssimativamente 10 volte superiore rispetto alle versioni GaAs. In passato, questo avrebbe richiesto una complicata combinazione del die GaAs, che comunque non sarebbe stata in grado di raggiungere lo stesso livello di efficienza. Questo prodotto dimostra cosa sia possibile ottenere con la tecnologia GaN coprendo bande di frequenza ampie e fornendo alti livelli di potenza e efficienza, come illustrato in Figura 6. Mostra anche i progressi tecnologici nel packaging dell’elettronica ad alta potenza, dato che questo componente è racchiuso in un package a flangia in grado di supportare i segnali a onda continua (continuous wave, CW) richiesti da molte applicazioni militari.

Figura 6. Curve di guadagno, PSAT, e PAE su frequenza dell’HMC8205BF10.

L’arrivo di nuovi materiali semiconduttori come il GaN ha aperto la possibilità di raggiungere livelli di potenza più elevati con ampie larghezze di banda. Dispositivi GaAs, con una lunghezza di gate ridotta, hanno esteso gli intervalli di frequenza da 20 GHz a 40 GHz e oltre. Secondo la letteratura disponibile, l’affidabilità di questi dispositivi supera il milione di ore, rendendoli praticamente comuni in tutti i sistemi elettronici odierni. Per il futuro,ci aspettiamo che il trend verso frequenze più alte e bande passanti più ampie siano destinati a continuare.

di Keith Benson, Director RF/MW Amplifier & Phased Array IC Products di Analog Devices