개요: RF 입력 및 출력 정합 네트워크는 5GHz LNA의 성능을 결정하는데 있어서 중요한 요소이다. 이 응용 노트는 모든 주파수에서 MAX2648의 안정된 작동을 보장하기 위해서 출력 정합의 일부로 마이크로스트립 용량성 요소를 사용하는 간단한 방법이다. 각각의 애플리케이션에는 약간 다른 정합 네트워크가 필요하지만, 일반적인 원리는 대부분의 경우에 적용된다. 작은 용량성 스터브는 안정성을 보장한다.
MAX2648 LNA는 5GHz - 6GHz 사이의 대역에서 17dB의 이득과 1.8dB의 잡음 지수를 갖는다. 우수한 모든 마이크로파 장치와 같이, MAX2648 LNA는 높은 작동 주파수(최대 20GHz)에서 우수한 고 이득을 갖는다. 잘 알려진 바와 같이, 이 등급의 증폭기는 적절한 마이크로파 설계 기술 없이 10GHz이상의 주파수에서 발진할 수 있다. 이 응용 노트는 최상의 성능과 안정된 작동을 유지하기 위해서 마이크로파 정합이 MAX2648 LNA와 어떻게 이루어져야 하는지를 보여준다.
설계 고려사항
다음은 고성능 마이크로파 LNA로 설계할 때 고려해야 할 요소이다.
PCB 재질 선택
부품 선택
전력 바이패스
입력 및 출력 정합
PCB 재질 선택
5GHz에서, LNA를 전후로 한 전송 라인 손실이 중요하다. LNA 입력측의 라인 손실은 LNA의 잡음 지수에 손실이 직접
추가되기 때문에 특히 중요하다. PCB 재질로는 유전 손실이 낮은 재질이 좋다. 예를 들면, MAX2648 평가 킷은 10mm 두께의 Rogers 4350 "FR4 코어 상부 박판" 재질을 사용한다. 박판은 마이크로스트립에 안정된 손실 탄젠트를 제공한다. 반면에 FR4 보드 하부는 저가의 단단한 뒷판을 제공한다.
커패시터 선택
최적의 잡음 지수를 유지하려면, 입력 및 출력 정합 회로에 high-Q 커패시터를 사용하는 것이 중요하다. low-Q 부품을 사용하면 잡음 지수가 저하된다. MAX2648 EVkit의 실험에서는(ATC 또는 Vitramon과 같은) high-Q 커패시터를 (젤리-빈 NPO 형과 같은) 손실이 높은 일반 커패시터로 대체할 경우 잡음 지수가 0.2dB 정도 저하될 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 high-Q 자기 커패시터는 부피가 큰 제품 설계에 너무 고가일 수 있다. 비용 대비 성능에 대한 좋은 예로는 Murata에서 생산한 GJ615 시리즈이다.
전력 바이패스
전력 바이패스 기능은 안정된 고주파 작동을 보장하기 위해서 마이크로파 주파수에서 필수적이다. 감결합하려고 하는 주파수에서
커패시터의 임피던스가 가장 낮은 커패시터를 선택하는 것이 중요하다. 예를 들면, 1000pF 커패시터의 최저 임피던스는 수 백 MHz 이하에서 발생되는 경향이 있기 때문에 1000pF 커패시터는 고주파 감결합용으로 바람직하지 않다. 5GHz에서, 자체 공진 주파수는 손실 인덕터처럼 보이게 한다. 고주파 감결합의 경우, 일반적으로 10pF 미만의 커패시터는 IC에 가깝게 위치시켜야 한다. 또한 저주파수 감결합의 경우, 1000pF 및 0.01uF 커패시터 조합은 좋은 선택이지만, IC 핀 바로 옆에 위치시키면 안 된다.
입력 및 출력 정합
MAX2648 LNA는 고이득 마이크로파 장치이기 때문에, 안정된 고주파수 작동을 위해서 입력 및 출력측에서 적절한 정합이 필요하다. 일반 표면실장형 커패시터 및 인덕터는 일반적으로 6GHz이하의 자체 공진 주파수를 갖는다. MAX2648로 설계할 때, 6GHz이하의 자체 공진 주파수를 지닌 부품을 사용하지 않도록 주의해야 한다.
MAX2648의 고주파 안정성을 유지하기 위해서, 소형 용량성 스터브를 정합 회로의 출력측에 통합하기로 결정했다. LNA의 출력측에 유도성 단자를(특히 커플링 커패시터와 직렬로) 배치하면 고주파 발진이 발생할 수 있으므로 레이아웃에 이렇게 배치되지 않도록 주의해야 한다. 긴 전송 라인은 직렬 인덕턴스를 나타내므로, 장치에 의해서 나타나는 추가 인덕턴스를 보정하기 위한 해결책으로 용량성 스터브를 사용하는 것이 바람직하다. 용량성 스터브는 집중 부품이 인덕터의 특성을 나타내는 고주파에서 접지부에 우수한 커패시터를 제공한다. 이 지점을 예시하기 위해서, 고주파 발진을 나타내는 한 개의 회로 시뮬레이션이 발진하지 않는 것과 비교되어 있다. 시뮬레이션에 사용된 부품 모듈은 정해진 용법을 초과한 주파수에서 결함이 발생할 가능성이 있다는 것을 참고한다. 이 경우 정확한 고주파 분석은 어렵지만, 회로 시뮬레이션에서는 경향을 보여주므로 일반적인 회로 작용을 예측하는데 유용하게 사용할 수 있다.
그림 1은 13.5GHz 부근에서 불안정한 회로를 보여주는 ADS 시뮬레이션이다. 이 경우 출력 정합은 아래 개략도에 나온바와 같이 모두 집중 부품을 사용한다.
그림 1. 집중 정합 부품을 이용한 ADS 시뮬레이션
그림 2. 입력 및 출력 정합 레이아웃(50Ω 라인은 0.4mm이다)
C1
2pF
C2
0.5pF
C3
0.5pF
C4
2pF
C5
1.5pF
C6
1000pF
C7
0.01uF
L1
6.8nH
그림 3은 출력 곡선에 넓은 마이크로스트립 섹션을 위치시켜서 이행되는 용량성 스터브의 사용 결과를 보여준다. 커패시턴스는
다음 공식으로 근사값을 구할 수 있다.
그림 3. 출력 용량성 스터브를 이용한 ADS 시뮬레이션
그림 4. 2mm x 4mm 스터브를 보여주는 레이아웃(50Ω 라인은 0.4mm이다. 각각의 마이크로스트립 섹션 길이는 위에 명시되어 있다.)
C1
2pF
C2
0.75pF
C3
0.5pF
C4
2pF
C5
1.5pF
C6
1000pF
C7
0.01uF
L1
6.8nH
0.2mm의 기판 두께 및 4.1의 유전율을 지닌 2mm x 3.5mm 크기의 마이크로스트립은 프린징 효과를 무시하면, 대략 1.27pF의 커패시턴스를 나타낸다. 접지부에 대한 션트 커패시터는 용이한 튜닝를 위해서 추가된다. 입력 및 출력 션트 커패시터의 위치는 최적의 잡음 지수 및 이득을 얻기 위해서 필요한 경우 조정해야 한다.
결론
입력 및 출력 정합 네트워크는 LNA의 성능을 결정하는데 있어서 중요한 요소이다. 이 응용 노트는 모든 주파수에서 MAX2648의
안정된 작동을 보장하기 위해서 출력 정합의 일부로 마이크로스트립 용량성 엘리먼트를 사용하는 간단한 방법을 보여주고 있다. 각각의
애플리케이션에는 약간 다른 정합 네트워크가 필요하지만, 일반적인 원리는 대부분의 경우에 적용된다.
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