개요: 이 애플리케이션 노트에서는 MAX2659 GPS LNA의 성능 및 솔루션 크기/비용을 현재 출시된 10개의 경쟁 GPS LNA 제품과 객관적으로 비교하였다. 비교 평가를 위해 이득 전류 효율, 출력 전력 효율 및 GPS 입력 신호 동적 범위와 같은 성능 지수가 사용되었다.
이 보고서의 목적
MAX2659는 저가 가전 전자제품의 크기 및 솔루션 비용 요구사항을 만족하는 모바일/휴대용 장치를 위해 개발되었다. 이 소자는 다른 모든 저가의 고성능 휴대용 GPS LNA보다 뛰어난 성능을 제공하도록 설계되었다.
이 소자에 대한 Maxim의 IC 설계 엔지니어들의 매우 긍정적인 보고를 접하면서 Maxim의 애플리케이션 엔지니어링 그룹은 이 새로운 LNA가 실제로 이러한 높은 성능 평가에 부합하는지 여부를 테스트하기로 했다. 이에 따라 우리는 Maxim의 GPS LNA뿐 아니라 고객의 설계에 사용되고 있는 유사한 성능의 경쟁제품에 대하여 비교 조사를 수행하였다. 비교 대상 조건은 다음과 같다.
1575MHz 저전력 동작
15dB ~ 20dB 이득 및 1.5dB 미만 NF
3V 동작 및 10mA 미만 소비 전류
양산이 가능한 상용 가전 기기에 적합하도록 설계되었는지 여부 (LNA의 공급 가능성, 안정성 및 비용 경쟁력 확보를 위해)
이러한 일련의 요구사항은 MAX2659와 같은 GPS LNA 등급을 대표한다. 우리는 객관적으로 MAX2659의 경쟁제품으로 꼽을 수 있는 다른 10개의 LNA를 선택한 다음 비교를 수행하였다. 분석의 자세한 내용을 건너뛰고 싶다면 결론 요약이 본문 마지막에 나와 있다.
성능 지수
RF 증폭기 비교에는 많은 방법이 존재하지만 여기서는 객관적이고 측정 가능하면서 저전력, 고이득 및 동적 범위에 초점을 맞춘 지표를 선택했다. 또한 GPS LNA 비교를 위해 가장 의미 있는 성능 지수로 다음을 선택했다.
이득 전류 효율 (dB 이득/mA)
출력 전력 효율 (P1dB/PDISS 백분율)
GPS 입력 신호 동적 범위 (dB)
또 보드 면적 크기와 솔루션 비용과 관련된 패시브 회로 부품 수를 비교했다.
이득 전류 효율 (dB 이득/mA)
증폭기의 "즉각적 반응" 또는 응답성을 평가하는 전통적인 방법은 신호 이득과 인가되는 DC 전력량 비를 측정하는 것이다. 예를 들어 트랜스컨덕턴스는 개별 반도체 트랜지스터 소자를 비교하는 데 사용되는 전통적인 응답성 성능 지수이다. LNA 그룹을 비교하기 위해 우리는 이득 전류 효율을 사용하였다.
비교를 위해 우리는 일정한 바이어스 전류에 대해 얻을 수 있는 dB 이득을 계산했다. 더 높은 이득을 얻는 데 필요한 전류가 적을수록 LNA의 이득 전류 효율이 우수하다. 5mA 바이어스 전류를 소비하는 20dB 증폭기는 4.0dB/mA의 성능 지수를 갖는다.
출력 전력 효율 (P1dB/PDISS 백분율)
출력 전력 효율은 LNA가 최소 배터리 드레인으로 큰 간섭 신호(그림 1)를 관리하는 방식을 비교할 수 있는 중요한 특성이다. 이 값은 증폭기가 소비하는 DC 전력에 대비하여 증폭기가 공급할 수 있는 신호 전력의 양으로 측정된다. RF 증폭기의 구동 성능은 종종 출력 신호 이득이 1dB만큼 압축되는 포인트인 1dB 이득 압축 포인트로 측정된다(즉 10dB의 입력 레벨 증가에서는 9dB 출력 레벨 변화가 관찰된다).
그림 1. 일반 증폭기 신호
여기서는 소비되는 전체 전력(PDISS)에 대한 출력 신호 압축 포인트 (P1dB) 비를 사용하였다. 증폭기가 -20dBm에서 P1dB 압축 포인트(IP1dB)와 17dB의 이득을 갖는다고 가정하면 -3dBm에서 P1dB, 즉 0.5mW로 추정할 수 있다. 해당 증폭기가 3V 전원에서 5mA를 소비한다면 PDISS는 15mW이고 출력 전력 효율(%)은 다음과 같이 계산할 수 있다.
0.5/15 = 3.3%
표 1에서 보듯이 이 값은 GPS LNA에서는 중간 수준의 성능 지수를 나타낸다. 그러나 증폭기의 IP1dB가 -12dBm에서 더 높다면 P1dB는 +5dBm, 즉 7mW로 추정할 수 있으며 출력 전력 효율은 5%로 증가할 것이다.
GPS 입력 신호 동적 범위 (dB)
스퓨리어스 프리 동적 범위(그림 2)는 큰 간섭 요인이 존재할 때 매우 작은 신호를 처리할 수 있는 능력을 나타낸다. GPS 입력 증폭기에서 이 성능은 매우 중요하다.
그림 2. 스퓨리어스 프리 동적 범위
LNA 출력에서 예상되는 일반적인 신호 레벨에는 잡음 지수를 포함하여 LNA에 의해 수집되는 안테나 (소스) 열 잡음과 모든 협대역 간섭 신호가 포함된다. GPS 프로세싱의 경우에는 베이스밴드 디지털 프로세서에 존재하는 일반적인 잡음 신호 하의 GPS BW인 2MHz RF 잡음 대역폭(BW)을 가정한다. 그러나 더 큰 스펙트럼 폭 (군사용 시스템) 또는 더 적은 BW(약 1.5MHz 미만의 BW는 소중한 신호 전력을 낭비하기 시작)를 수집하는 것도 가능하다. 또한 동시에 존재하는 송신기에서 발생되는 셀룰러, PCS 및 Wi-Fi 대역 신호를 많이 억제할 수 있는 약 100MHz의 RF BW을 갖는 일반적인 입력 필터를 가정한다.
다음과 같이 LNA의 출력 스펙트럼이 구성되었다.
2MHz BW에서 kT 잡음 + 1dB 잡음 지수가 -110dBm 입력 잡음을 생성한다.
나란히 배치된 802.11 송신기로부터 발생되는 입력 신호는 입력 RF 필터를 거친 후 약 -45dBm이 된다.
PCS 또는 휴대전화 대역 송신기로부터 발생되는 입력 신호는 입력 RF 필터를 거친 후 약 -25dBm이 된다.
큰 스퓨리어스 신호는 이득 포화 지점으로 LNA를 구동하므로 LNA 출력에서 잡음 플로어로부터 1dB 포화 지점에 이르는 동적 범위를 기준으로 한다. 예를 들어 LNA가 20dB 이득과 -15dBm 간섭 입력 신호를 갖는다면 출력에서 5dBm을 생성할 것이다. 만약 이 LNA의 출력 포화 지점이 0dBm이라면, 포화상태가 되면서 동작이 둔화될 것이다. 이것은 3dB 또는 4dB 정도 이득을 감소시켜 GPS 수신기 감도를 크게 떨어뜨린다.
따라서 여기서는 동적 범위의 성능 지수를 P1dB에서 출력 NF를 뺀 값(dB)으로 지정했다.
패시브 회로 부품 수
LNA의 설계 결정에는 전체 솔루션 비용에서 차지하는 부분은 얼마 되지 않지만 외부 정합 및 전원 디커플링 부품 수가 고려되었다. 많은 외부 부품을 사용하게 되면 회로 성능의 편차와 회로 크기 문제가 나타난다. 이러한 이유로 Avago™에서는 ALM-1412 LNA에 GPS 대역 통과 필터를 통합하였다. 그러나 이번 성능 비교에서 나타난 바에 따르면 다른 영역에서의 만족스럽지 못한 성능이 주요 성능 효과를 분산시켰다.
MAX2659 LNA 비교 결과
다음은 상용 가전 제품에 사용되면서 MAX2659와 거의 같은 등급인 10개의 경쟁 LNA 제품의 성능을 비교한 표이다.
데이터 시트는 인터넷에서 찾았으며 여기에서 제시된 숫자는 일반적인 광고 채널을 통해 입수할 수 있는 정도의 정확한 자료이다. 일부 소자의 경우 향상된 버전이 있을 수 있지만 여기에 소개된 소자는 대략 작년 한 해 동안 일반적으로 접하게 되는 모델이다.
표 1. GPS LNA 경쟁 벤더 성능 비교 (1575MHz 데이터)
주의: 'Specification'은 데이터 시트의 "일반" 성능이다.
Specification
Avago ALM-1106
Avago ALM-1412
Maxim MAX2641
Maxim MAX2654
Hitachi® HA22022
Maxim MAX2659
VCC range (V)
1.0 to 3.6
2.7 to 3.6
2.7 to 5.5
2.7 to 5.5
2.7 to 5.0
1.6 to 3.3
VSUPPLY test (V)
2.85
2.85
2.8
3.0
3
2.85
IBIAS (mA)
8.0
9.0
3.5
5.8
3.0
4.1
Gain (dB)
14.3
13.1
15.7
15.1
16.0
20.5
NF (dB)
0.8
0.8
1.2
1.5
1.3
0.8
IIP3 (dBm)
+4.7
+7.0
+1.4
-7.2
-2.0
-5.0
IP1dB (dBm)
-12.5
-9.7
-21.0
-18.0
-18.0
-12.5
S11 (dB)
-11.8
-9.0
-12.0
-9.7
4.6
-16
S22 (dB)
-12.4
-10.0
-12.0
-8.4
4.6
-7.5
S12 (dB)
—
-23.0
-30.0
-30.0
—
-32
Gain efficiency (dB/mA)
1.79
1.46
4.49
2.60
5.33
5.00
Power efficiency (% mW/mW)
7
11.7
3
3
7
54
Dynamic range (dB)
97.7
100.5
88.8
91.5
91.7
97.7
No. of external parts
8
Integrated BPF
7
5
4
3
Specification
Infineon® BFP740F
Infineon BGA615L
National Japan Radio NJG1107HB3
NEC® uPC8321
NEC uPC8322
Maxim MAX2659
VCC range (V)
2.7 to 3.5
2.4 to 3.2
2.5 to 5.5
2.7 to 3.3
2.5 to 3.3
1.6 to 3.3
VSUPPLY test (V)
3.0
2.8
2.7
3
3
2.85
IBIAS (mA)
8.2
5.6
2.5
3.8
3.0
4.1
Gain (dB)
19.8
18.0
17.0
20.0
17.0
20.5
NF (dB)
0.7
0.9
1.1
0.8
1.0
0.8
IIP3 (dBm)
-1.7
-1.0
-4.0
-10.0
-8.0
-5.0
IP1dB (dBm)
-18.0
-14.0
-16.0
-22.0
-21.0
-12.5
S11 (dB)
-9.0
-13.0
-6
-10.0
-10.0
-16
S22 (dB)
14.4
-15
-6
-18.0
-20.0
-7.5
S12 (dB)
28.7
-35
-24
-35.0
-40.0
-32
Gain efficiency (dB/mA)
2.41
3.21
6.80
5.26
5.67
5.00
Power efficiency (% mW/mW)
6
16
19
6
4
54
Dynamic range (dB)
92.3
96.1
93.9
88.2
89.1
97.7
No. of external parts
8
7
8
7
5
3
이득 전류 효율 비교 (dB 이득/mA)
처음에 우리는 이득 전류 효율 비교에서 더 높은 이득을 갖는 LNA가 가장 뛰어난 성능을 보여줄 것으로 기대했었지만 실제 결과는 예상과 달랐다. 가령 1998년에 출시된 MAX2641은 오래되었지만 많이 이용되는 SiGe LNA로 이득 효율은 4.49dB/mA로 뛰어났지만 이득은 단 15.7dB에 그쳤다.
그룹에서 가장 우수한 소자는 New Japan Radio의 NJG1107로 단 2.5mA의 낮은 바이어스 전류로 인해 6.8dB/mA의 이득 효율을 보여주었다. 가장 성능이 떨어진 소자는 2dB/mA 미만의 이득 전류 효율을 갖는 Avago LNA였다.
전체적으로 MAX2659는 5.0dB/mA의 우수한 성능을 보여주었으며 상위 다섯 번째를 기록하면서 상위 그룹의 LNA에 속했다. 다른 4개의 소자는 매우 유사한 이득 효율을 보여주었다.
출력 전력 효율 비교 (P1dB/PDISS 백분율)
이 부문에서 MAX2659는 진가를 발휘하면서 동급 최고의 성능을 보여주었다. 우리가 평가했던 LNA는 대부분 전력 범위가 3% ~ 7%였다. 그러나 MAX2659는 높은 P1dB에도 불구하고 일반 수준의 전력 소모를 제공함으로써 54%의 뛰어난 성능을 발휘했다. 동급의 여러 제품들은 15% ~ 20%의 전력 효율을 제공했다.
신호 동적 범위 (dB) 비교
GPS 대역 통과 필터가 내장된 Avago ALM-1412가 동적 범위에서 100.5dB의 성능으로 1위를 차지했다. MAX2659와 우리가 비교한 다른 Avago LNA는 ALM-1412보다 약 3dB가 낮은 97.7dB로 둘 다 2위를 기록했다. 관찰 결과 최저 동적 범위를 갖는 제품은 NEC의 uP8321로 88.2dB이었다. 대부분의 LNA는 대략 91dB ~ 95dB의 신호 동적 범위를 제공하는 것으로 나타났다.
패시브 회로 부품 수 비교
여기서는 인터넷상에 제공되는 데이터 시트 및/또는 애플리케이션 회로를 검토하여 외부 패시브 부품 수를 확인하였으며 일부 경우에는 이번 검토에서 파악된 것보다 부품 수가 더 적을 수 있다. 그러나 우리는 철저한 인터넷 검색을 통해 데이터를 찾고 결정을 내리는 일반 RF 애플리케이션 엔지니어를 대표한다는 점을 언급해두고자 한다.
대부분의 LNA는 6개 또는 7개의 외부 부품을 필요로 하지만 MAX2659는 단 3개의 외부 부품만 필요로 하므로 소형 설계 솔루션에 사용하기에 가장 이상적인 제품이다.
GPS LNA 경쟁제품 비교 검토 요약
여기에 제공된 모든 LNA는 가격, 크기 또는 전기적 성능 등에서 어떤 가치를 제공한다. 그러나 MAX2659는 경쟁력 있는 성능뿐 아니라 "공격적인 가격 경쟁력"까지 갖추고 있다.
따라서 우리는 MAX2659가 다음과 같은 특징으로 동급 최고의 성능을 제공한다는 IC 설계 엔지니어의 주장에 동의한다는 결론을 내렸다.
최고 전력 효율 및 두 번째로 높은 동적 범위를 갖는다.
최저 부품 수를 제공한다.
상위에 속하는 우수한 이득 효율을 제공한다.
공격적인 가격 경쟁력을 갖추고 있다.
MAX2659는 진정 성공적인 제품이며, 이 소자를 채택하고 제품에 구현한 많은 고객들도 우리와 같은 생각일 것이다.
다운로드, PDF 형식
