개요: S 파라미터 측정을 이용해 MAX2640 LNA의 안정성을 분석한다. 다수의 테스트 사례를 통해 S 파라미터 데이터의 유효성이 확인되었고 이 소자가 최대 5GHz까지 안정적이라는 것을 알 수 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 최적의 안정성을 위해 VCC 라인에 요구되는 인덕턴스를 제시하고, 자동차용 무선 도어 애플리케이션에 대한 315MHz에서의 성능과 요구되는 매칭을 요약했다. 개요 이 애플리케이션 노트를 위해 MAX2640 LNA에서 S 파라미터를 측정하고 이 결과를 이용해 안정성을 분석한 결과, 315MHz 동작으로 LNA를 매칭했을 때 S 파라미터 측정이 유효함을 확인할 수 있었다. 이러한 분석 결과는, 이 소자가 최대 5GHz까지 절대적으로 안정함을 보여주는 것이다. 또한 최적의 안정성을 위해 VCC 라인에 필요한 인덕턴스의 권장값에 대해 알아보았다. 315MHz에서의 MAX2640 LNA 315MHz에서 이 소자의 성능은 표 1과 같이 요약할 수 있다. 그림 1은 주파수 대비 성능이다. 표 1. MAX2640의 성능 요약 Parameter Customer Target MAX2640 ICC (mA) < 2 3.5 Gain (dB) > 13 17.4 Noise Figure (dB) < 2 1.4 Input P1dB (dBm) Not specified -26 Input IP3 (dBm) -10 -17.25 S11 (dB) Not specified -10.5 S22 (dB) Not specified -19.3 (f = 315MHz, VCC = 3V) 참고: 입력 전력 = 톤 당 -30dBm 그림 1. 315MHz 애플리케이션에서 MAX2640 LNA의 주파수 대비 성능 S 파라미터 측정 테스트 셋업 EV 킷 2개와 네트워크 분석기(HP8753D)를 이용해 MAX2640의 S 파라미터를 측정했다. 첫 번째 EV 킷(1번 킷)에서 이 IC를 제거하여 캘리브레이션용으로 이용했다. 두 번째 킷(2번 킷)은 이 IC를 그대로 두었으나 매칭 컴포넌트를 이용하지 않았으며, 이 킷을 실제 측정에 이용했다. 분석기에 연결된 케이블의 끝까지 완전 2포트 캘리브레이션을 실시했다. 2번 킷에 매칭 컴포넌트 없이 이 IC의 S 파라미터를 측정할 때 1번 킷에서 MAX2640의 입력과 출력 핀이 솔더링되는 지점을 단락(short)시켰다 (그림 2 참조). 입력과 출력 임피던스가 315MHz에서 되도록이면 단락에 근접하도록 네트워크 분석기의 포트 연장(port extension)을 조절했다. 이러한 캘리브레이션을 통해 2번 킷의 소자 핀에서 S 파라미터를 측정했다. 그런 다음 1번 킷을 수정하여 단락을 마지막 매칭 컴포넌트를 배치한 지점으로 이동시켰다. 여기서도 입력과 출력의 임피던스가 315MHz에서 되도록이면 단락에 근접하도록 네트워크 분석기의 포트 연장을 조절했다. 그런 다음 매칭 컴포넌트를 2번 킷에 다시 붙였다. 벤치에서 이 IC의 S 파라미터와 매칭 컴포넌트를 측정했다. 이 IC에 대해서만 취해진 S 파라미터의 유효성을 확인하기 위해(위의 3단계) ADS(마이크로파 시뮬레이션 소프트웨어)에 S 파라미터를 입력하고 매칭 컴포넌트와 전송 라인에 대한 모델을 추가했다. 또한 보드에 존재하는 기생효과를 모델링하기 위해 입력과 출력 핀에 0.5pF 커패시턴스를 추가했다. 부록의 그림 18은 ADS 시뮬레이션을 도해한 것이다. 그리고 이 셋업의 성능 곡선과 IC 및 보드 자체의 매칭 컴포넌트에 대해 취해진(위의 5단계) S 파라미터 데이터를 비교했다. 그림 2. MAX2640의 S 파라미터 측정에 이용된 캘리브레이션 회로 테스트 결과 그림 3에서 그림 8까지에 표시된 그래프에 대한 설명이다. MAX2640_Epcos_1GHz_simulation: 이 IC만의 S 파라미터를 이용한 시뮬레이션, 벤치에서 측정, ADS에 매칭 컴포넌트 추가 MAX2640_Epcos_1GHz_bench: 보드 자체에 매칭 컴포넌트를 추가한 후에 벤치에서 측정 그림 3. 시뮬레이션 및 벤치 측정의 S11 (dB) 비교 그림 4. 시뮬레이션 및 벤치 측정의 S11 (위상) 비교 그림 5. 시뮬레이션 및 벤치 측정의 S22 (dB) 비교 그림 6. 시뮬레이션 및 벤치 측정의 S22 (위상) 비교 그림 7. 시뮬레이션 및 벤치 측정의 S21 (dB) 비교 그림 8. 시뮬레이션 및 벤치 측정의 S21 (위상) 비교 위 데이터에서 두 테스트의 진폭 및 위상 성능이 매우 유사함을 알 수 있다. 미미한 주파수 편차를 제외하고 시뮬레이션(이 IC만의 S 파라미터 이용, ADS에 매칭 컴포넌트를 추가하고 벤치에서 측정)이 실제 벤치 성능(보드 자체에 매칭 컴포넌트를 추가하고 벤치에서 측정)에 매우 근접하다. 그러므로 MAX2640에 대해 측정한 S 파라미터가 신뢰할 만 하고 시뮬레이션 및 안정성 분석에 이용 가능한 것으로 판단된다. 참고: 보드 자체에 매칭 컴포넌트를 추가한 테스트에서는 S12 측정이 불가능하다. 이 신호의 진폭이 너무 낮아 분석기가 정확한 측정을 할 수 없는 것이다. 따라서 위 플롯에는 S12 진폭 및 위상 곡선을 포함시키지 않았다. 안정성 분석 MAX2640에 대한 안정성 분석을 위해 위에서 설명한 절차로 100MHz에서 5GHz까지 S 파라미터를 측정했다. 3번의 테스트를 실시했다. 첫 번째는 MAX2640의 VCC 핀과 디커플링 커패시터 사이에 9mm 전송 라인을 이용했다. 두 번째는 커패시터를 VCC 핀에 되도록 가깝게 배치했다. 세 번째는 커패시터를 5mm 떨어지게 배치했다. 첫 번째 테스트 케이스 디커플링 커패시터를 MAX2640의 VCC 핀으로부터 9mm 떨어지게 배치했다. 전송 라인의 폭은 42mil이다. 적용된 보드는 4레이어 50 제어 임피던스 보드이다. 유전체는 유전 상수가 4.5인 FR4 1온스 동(copper)이었다. 상단 레이어와 내부 접지 플레인(레이어 2) 사이의 유전체 두께는 24mil이었다. 이 정보를 이용해서 VCC 핀으로부터의 인덕턴스를 시뮬레이션했다. 데이터 결과는 315MHz에서 j5.5이었는데 이는 2.5nH 인덕터에 해당되는 것이다. 그림 9는 이 IC만의 안정성 측정, 안정성 계수, 소스 안정성 계수, 부하 안정성 계수를 보여준다. 그림 10은 소스 및 부하 안정성 원(stability circle)이다. 그림 9. 첫 번째 테스트 케이스의 안정성 측정, 안정성 계수, 소스 안정성 계수, 부하 안정성 계수 그림 10. 첫 번째 테스트 케이스의 소스 및 부하 안정성 원 두 번째 테스트 케이스 이 테스트에서는 커패시터를 VCC 핀에 되도록 가깝게 배치했다. 전송 라인 길이는 40mil이었고 인덕턴스는 315MHz에서 j0.6으로, 이는 0.3nH 인덕터에 해당된다. 그림 11은 안정성 측정, 안정성 계수, 소스 안정성 계수, 부하 안정성 계수를 보여준다. 그림 12는 소스 및 부하 안정성 원이다. 그림 11. 두 번째 테스트 케이스의 안정성 측정, 안정성 계수, 소스 안정성 계수, 부하 안정성 계수 그림 12. 두 번째 테스트 케이스의 소스 및 부하 안정성 원 세 번째 테스트 케이스 이 테스트에서는 디커플링 커패시터를 MAX2640의 VCC 핀으로부터 5mm 떨어지게 배치했다. 전송 라인 폭은 42mil이고 인덕턴스는 315MHz에서 j3으로, 1.5nH 인덕터에 해당된다. 그림 13은 이 IC만의 안정성 측정, 안정성 계수, 소스 안정성 계수, 부하 안정성 계수를 보여준다. 그림 13. 세 번째 테스트 케이스의 안정성 측정, 안정성 계수, 소스 안정성 계수, 부하 안정성 계수 그림 13은 3개 테스트 모두에서 안정성 계수가 1 이상이고 전체 주파수 범위에 걸쳐서 안정성 측정 결과가 양호하다는 것을 알 수 있다. 이는 무조건적 안정성에 대한 요구를 충족한다. 게다가 안정성 원이 모든 주파수에 대해 스미스 차트 외부에 존재한다. 첫 번째 테스트 케이스의 데이터에서는 안정성 계수가 2.5GHz ~ 4.5GHz 주파수 범위에서는 1 이상으로 안전하지만 5GHz에서는 1에 근접하는 것으로 나타났다. 이는 MAX2640이 5GHz 이상에서는 제한적으로 안정적이라는 뜻이다. 두 번째 테스트 케이스의 경우에는 2.5GHz ~ 4.5GHz 범위에서 안정성 계수가 1에 근접하지만 5GHz에서는 1 이상으로 안전하다. 이는 이 소자가 2.5GHz ~ 4.5GHz 범위에서 제한적으로 안정적이라는 의미이다. 세 번째 테스트 케이스에서는 커패시터를 VCC 핀으로부터 5mm 떨어지게 배치했는데, 안정성 계수가 2.5GHz ~ 4.5GHz 주파수 범위에서는 1 이상으로 안전하고, 5GHz에서는 1보다 훨씬 높다. 따라서 위의 분석을 통해, 안정성을 위해서는 디커플링 커패시터의 최적 위치는 VCC 핀으로부터 4mm~5mm라고 결론지을 수 있다. 회로도 및 매칭 네트워크 간단히 요약하자면, 315MHz에서 LNA 입력/출력의 S 파라미터를 측정하기 위해 일반 네트워크 분석기(HP8753D)를 이용했으며, 반복적인 시뮬레이션 및 측정 프로세스를 이용해 최적 임피던스 매칭 회로를 찾아냈다. 315MHz에서의 성능 및 요구되는 매칭은 자동차 무선 도어 애플리케이션에 적합한 것이다. 매칭은 최상의 이득 및 잡음 지수를 위해 최적화되었다. 최적 임피던스 매칭 회로는 그림 14 및 그림 15와 같다. 그림 14. 315MHz에서 MAX2640의 EV 킷 회로도 MAX2640 LNA의 자재명세서 DESIGNATION QTY DESCRIPTION Z1 1 100nH inductor (0603) Coilcraft 0603CS-R10XJBC C1 1 1500pF ceramic cap (0603) Murata GRM188R71H152KA01B C2 1 150pF 5% ceramic cap (0603) MurataGRM1885C1H151JA01 C3 1 10µF ceramic cap (1206) AVX TAJA106D010R C4 1 470pF 5% ceramic cap (0805) Murata GRM40COG471J50V C5 1 2.2pF 5% ceramic cap (0805) Murata GRM40COG022D50V C6 1 5pF 5% ceramic cap (0805) Murata GRM40COG050D50V 그림 15. 315MHz 애플리케이션의 LNA 입력과 출력 매칭 네트워크 LNA 이득 및 IIP3 측정 셋업은 다음과 같다 (그림 16 참조). IIP3 테스트를 위해 표준 2톤 테스트를 이용했다. RF 신호 발생기 두 개가 전력 결합기를 통해 LNA 입력에 연결되었다. 첫 번째 발생기(HP8648B)가 314.5MHz를 생성하고, 두 번째 발생기(HP8648B)가 315.5MHz(1MHz 톤 간격)을 생성하도록 셋업했다. 두 톤 모두 -30dBm으로 생성되었다. 스펙트럼 분석기(Agilent 8562EC)를 이용해 이득과 LNA 출력에서 원하는 톤과 3차 곱성분 간의 차를 측정했다. 이러한 측정과 각 톤의 입력 전력을 이용해서 LNA의 IIP3을 계산할 수 있다. 그림 16. LNA 이득 및 IIP3 측정 셋업 잡음 지수 측정 셋업 잡음 지수 측정기(Agilent N8973A) 및 잡음 소스(HP346A)를 이용해 LNA의 잡음 지수를 측정했다. 이 셋업은 아래 그림 17에 나타나 있다. 그림 17. 잡음 지수의 측정 셋업 부록: ADS 시뮬레이션 회로도 그림 18. ADS 시뮬레이션 의견을 보내주세요! 위 내용이 도움이 되셨나요? 여러분의 의견을 기다립니다 — Maxim은 보내주신 정정이나 제안사항을 반영하고 있습니다. 이 페이지를 평가하고 의견을 보내주십시오. 자동 업데이트 관심있는 분야의 애플리케이션 노트가 나올 때 자동으로 업데이트 받고 싶으세요? 그렇다면 EE-Mail™을 신청하십시오. 추가 정보   APP 3571: Jun 21, 2006 MAX2640 300MHz ~ 2500MHz SiGe 초저잡음 앰프 전체 데이터 시트 (PDF, 160kB) 무료 샘플   다운로드, PDF 형식 (252kB)  AN3571, AN 3571, APP3571, Appnote3571, Appnote 3571