Amplificatori RF/IF a Guadagno Variabile

RF & MICROONDE –

Per far fronte ai requisiti imposti dagli apparati per telecomunicazioni di nuova generazione, sono necessari degli amplificatori a guadagno variabile che consentano di risparmiare spazio, costi e potenza, mantenendo un elevato livello di prestazioni.

Gli amplificatori a guadagno variabile sono stati impiegati in applicazioni di telerilevamento e in apparati di telecomunicazioni per più di mezzo secolo. Ecografi, Radar e Lidar, comunicazioni radio e applicazioni audio e video utilizzano amplificatori a guadagno variabile per migliorare le prestazioni dinamiche. Uno dei circuiti classici è il controllo automatico del guadagno. Scopo di questo circuito è di mantenere costante il livello di uscita del segnale e fare in modo che i circuiti che seguono nella catena, ad esempio il convertitore Analogico Digitale, possano lavorare con livelli di segnale ottimale. Il Vga (Variable gain amplifier) ha un ingresso di controllo lineare, ma è possibile implementare anche schemi di Agc con Vga a controllo digitale. Il segnale di uscita viene prelevato tramite un attenuatore RF e, mediante un opportuno detector, trasformato in una tensione che andrà a confrontarsi con il valore di setpoint. Il segnale errore viene utilizzato per controllare il guadagno del Vga e fare in modo che, indipendentemente dal livello del segnale di ingresso, l’uscita si mantenga sempre lo stesso livello. Si noti che il segnale di errore viene di fatto modulato dal livello del segnale di ingresso e può quindi essere utilizzato come Rssi (Received Signal Strenght Indicator).

Vga nelle infrastrutture per telecomunicazioni
Nel seguito analizzeremo le necessità in termini di guadagno variabile negli apparati per telecomunicazioni di ultima generazione. Se consideriamo gli ultimi 5 anni possiamo notare come le comunicazioni mobili digitali abbiano vissuto un incremento notevole nella capacità di gestire flussi di dati ad elevata velocità. La tendenza continua in quanto le nuove generazioni di smart phone rendono disponibili nuovi servizi che richiedono un ulteriore incremento di velocità di trasferimento dati. La capacità di avere un flusso dati sempre più elevato si realizza grazie a nuovi standard come l’Lte (Long Term Evolution) che consente di realizzare portanti a banda più ampia mediante schemi di modulazione Ofdm, a sistemi di antenna avanzati come la tecnologia Mimo (Multiple Input Multiple Output), all’allocazione di nuove frequenze. A livello di apparati questo si traduce nella necessità di disporre di piattaforme che siano multi-portante, per far fronte alle diverse frequenze operative, multi-standard, per garantire l’operabilità con standard differenti, e ad elevata densità di componentistica per consentire la realizzazione di sistemi d’antenna Mimo. A livello di dispositivi ne consegue la necessità di componentistica in grado di lavorare su un’ampia gamma di frequenze, alta integrazione per far fronte a un’elevata densità di dispositivi, ma con prestazioni più elevate per supportare i diversi standard. Combinando tecnologie come SiGe, BiCMOS e GaAs in forma monolitica è possibile oggi realizzare dispositivi integrati che uniscano flessibilità a prestazioni elevate. Una delle aree critiche dal punto di vista della riduzione costi e ingombri è il guadagno variabile. Per ottimizzare il livello del segnale nei trasmettitori e ricevitori si utilizzano tradizionalmente attenuatori a gradino digitali realizzati a discreti. Oggi è possibile sostituirli con Vga a controllo digitale altamente integrati. Per comprendere le necessità in termini di guadagno variabile si consideri la Fig. 2 dove viene riportato lo schema a blocchi funzionale di un sistema Mimo che comprende due ricevitori e due trasmettitori. Il guadagno variabile viene impiegato in più punti all’interno della catena del segnale e serve a più scopi. Considerando la catena di ricezione il guadagno variabile ha una duplice funzionalità, il controllo dinamico del livello del segnale e la compensazione delle variazioni statiche. Nel controllo dinamico l’uso più ovvio è l’ottimizzazione del livello del segnale al variare del livello di potenza nell’antenna. Ma il guadagno variabile viene anche utilizzato per far fronte ad ampi segnali di blocking indesiderati. In questa modalità il guadagno deve variare rapidamente, e una qualche forma di controllo automatico viene utilizzata. Per regolare il guadagno statico di un ricevitore si impiegano tipicamente dei Dsa (Digital step attenuator) che servono a compensare le variazioni di altri elementi della catena del segnale. Queste variazioni possono essere dovute a tolleranze dei dispositivi, deriva in temperatura e in frequenza. Se dotato di un range di controllo del guadagno sufficientemente ampio un singolo dispositivo può essere utilizzato sia per il controllo sia delle variazioni statiche che dinamiche. Come nel ricevitore anche nel trasmettitore il guadagno è influenzato dai parametri dei dispositivi e necessita quindi di calibrazione. In aggiunta a ciò il controllo dinamico del guadagno si rende a sua volta necessario per regolare il livello di potenza nell’antenna, per compensare le variazioni dovute a cambiamenti delle condizioni ambientali o della distanza rispetto al ricevitore. Quando il guadagno del trasmettitore viene variato dinamicamente è bene farlo a piccoli step per evitare lo Spectral Splatter associato alle variazioni di guadagno.

Vga a controllo digitale
In un sistema Mimo 2x2 si possono avere fino a 6 elementi a guadagno variabile, alcuni dei quali posti sulla sezione a radiofrequenza (RF), altri sulla sezione a frequenze intermedie (IF). La figura mostra anche la collocazione ideale dei nuovi Vga a controllo digitale recentemente annunciati da Analog Devices, ovvero ADL5201, ADL5202, ADL5240 e ADL5243. Consapevole delle necessità di integrazione dei progettisti, Analog Devices ha introdotto fin dal 2007 l’AD8376, un Vga a due canali, con controllo digitale, in tecnologia SiGe, particolarmente adatto per impieghi a frequenze intermedie. Il dispositivo presenta ingressi e uscite differenziali, andando a integrare di fatto 4 elementi in un singolo componente. I nuovi dispositivi ADL5201, a canale singolo, e ADL5202, a doppio canale, rappresentano un ulteriore passo in avanti, con degli step di guadagno più fini e una maggiore flessibilità nell’interfaccia digitale di controllo. Per come sono costituiti, i dispositivi consentono la realizzazione di una catena totalmente differenziale, configurazione che sta diventando sempre più popolare per il campionamento a IF, ambito in cui trovano la loro collocazione ideale. Per le caratteristiche del dispositivo singolo questi dispositivi risultano ideali per l’impiego nei ricevitori a campionamento a IF. La variazione di guadagno e di 31.5dB in 63 step da 0.5dB, con un minimo di -11.5dB ad un massimo di 20dB. È possibile avere un controllo preciso del guadagno fino a 1GHz. Alle tipiche frequenze intermedie, nel range 70MHz – 300MHz, la curva del guadagno mostra variazioni minime semplificando così la scelta della frequenza intermedia a cui lavorare. Anche la linearità è notevole con una OIP3 oltre i +50dBm, al massimo del guadagno, e con frequenze intermedie fino a 150MHz. Un’altra caratteristica interessante è la modalità a basso consumo, che riduce l’assorbimento di potenza di una quantità pari al 25%. Il minor consumo di potenza è a scapito della linearità che peggiora leggermente, ma è possibile commutare dinamicamente tra le due condizioni, portandosi al massimo della linearità nelle situazioni in cui viene richiesta. Gli ADL5201/2 hanno tre modalità di controllo del guadagno, parallelo, seriale, e la nuova modalità Up/Down. I 6 bit del controllo parallelo possono essere memorizzati su un registro interno, oppure possono pilotare il Vga in maniera totalmente trasparente. Per il controllo seriale viene utilizzata un’interfaccia Spi che ha una modalità di read-back. Con l’interfaccia Up/Down è possibile variare il guadagno nelle due direzioni a step di 0.5, 1, 2 o 4 dB. Questo tipo di interfaccia si presta ad essere utilizzata in combinazione con i convertitori Analogico/Digitale di Analog Devices, come l’AD9643 provvisti di uscita Over-Range. Quando l’Adc risulta in over-range il guadagno del Vga viene automaticamente diminuito fino a recuperare la dinamica corretta. Mentre alle frequenze intermedie la tendenza è quella di utilizzare strutture differenziali, sulla parte RF si prediligono ancora configurazioni single-ended a impedenza controllata a 50 Ω. Per queste applicazioni Analog Devices ha introdotto altri due nuovi dispositivi, l’ADL5240 e ADL5243. L’ADL5240 è un Vga a controllo digitale in grado di operare nel range di frequenza da 100MHz a 4GHz. Questo dispositivo integra un Dsa con un amplificatore a larga banda e guadagno fisso. Il matching dell’amplificatore è interno ed il guadagno è pari a 19.5dB. Il Dsa è a 64 step da 0.5 dB (6 bit) con una dinamica complessiva di 31.5dB. Il controllo avviene tramite interfaccia seriale o parallela. Con una OIP3 di 38dBm ed una figura di rumore di circa 3 dB il Vga può essere usato sia nella catena di trasmissione che in quella di ricezione, semplificando così la lista delle parti. Se utilizzato nel ricevitore può essere conveniente configurare l’amplificatore interno per pilotare il Dsa, mentre nel trasmettitore è preferibile invertire le due funzioni. L’ADL5243 fornisce un livello di integrazione ancora più elevato grazie ad un secondo amplificatore a larga banda. Questo permette al dispositivo di realizzare la classica configurazione Amp-Dsa-Aamp. Con i tre componenti in questa configurazione il guadagno complessivo è di 29dB, con il Dsa al minimo dell’attenuazione. Lo stadio finale di amplificazione dell’ADL5243 è progettato per avere una OIP3 di 41dB, 10 dBm di potenza di uscita, in grado di pilotare direttamente l’amplificatore di potenza di una base station.

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