Byggsättet SiP, System In Package, passar väl då man tvingas kombinera olika halvledarprocesser för att åstadkomma optimala prestanda. Av Douglas Stuetzle, Senior Module Design Engineer och Todd Nelson, Module Development Manager, Linear Technology Corporation beskriver företagets UMTS-mottagare i en µModule.

Hur mycket kan integreras och ändå uppnå prestandakraven för en basstation i makrocellstorlek? Processtekniken avgör vilka nyckelfunktioner som skall produceras i speciella processer: GaAs och SiGe för RF-området, CMOS med fina strukturer för snabba A/D-omvandlare och filter med höga Q-värden. Alla dessa kan inte kombineras i en process. Ändå kräver marknaden ständigt allt högre grad av integration.
Mot bakgrunden av det har Linear Technology använt teknik för system-in-package (SiP) för att bygga en mottagare som bara behöver en kortyta av litet över 3 cm² (en halv kvadrattum).
Gränssnitten för mottagaren är 50 ohms RF-ingång, 50 ohms ingång för lokaloscillatorsignalen (LO), klockingång för A/D-omvandlare samt digitala utgångar från denna. Till denna måste man lägga till lågbrusförstärkare (LNA), RF-filter på ingången, lokaloscillator och klockgenerator och digital signalbehandling av data på utgången. Inom den 15×22 mm stora kapseln finns en signalkedja som använder SiGe-komponenter för högfrekvens, diskret uppbyggda passiva filter och A/D-omvandlare i finstrukturerad CMOS.
Den här artikeln ger en analys av konstruktionen för LTM9004 µModule som är en direktblandad mottagare.

Konstruktionsmål
Konstruktionen utgör en upplänk för UMTS, Universal Mobile Telecommunications System, med frekvensmultiplexering, FDD, Frequency Division Duplex, som är speciellt avsedd för basstationer för medelstor täckning som arbetar på band 1 enligt detaljer i 3GPP-specifikationen TS25.104 V7.4.0. Hög känslighet är ett primärt mål för mottagaren.  Kravet är ≤(–111 dBm) för ett signal/brusförhållande på ingången av –19,8 dB/5 MHz. Det betyder att det effektiva brusgolvet på mottagaringången måste ligga på ≤(–158,2 dBm/Hz).

Noll-mellanfrekvens eller direktblandad mottagare
LTM9004 är en direktblandad mottagare som bygger på en I/Q-demodulator, basbandsförstärkare och en dubbel 14-bita, 125 MSa/s A/D-omvandlare, så som visas i fig 1.

Fig 1. En direktblandad arkitektur är implementerad i µModule-mottagaren.

AC-lågpassfiltret i LTM9004-AC har en 0,2 dB brytfrekvens vid 9,42 MHz, vilket tillåter fyra WCDMA-bärvågor. LTM9004 kan användas som en “RF front end” för att bygga upp en komplett upplänks mottagare för UMTS. RF-ingången består av en diplexer jämte en eller fler lågbrusförstärkare (LNA) och keramiskt bandpassfilter.
För att minimera förstärkning och fasobalans tillämpas fast förstärkning i basbandet. Därför behövs det en RF VGA före LTM9004. Här är ett exempel på typiska prestanda för en sådan ingångsdel:

Mottagarens frekvensområde: 1920 MHz till 1980 MHz
RF-förstärkning: 15 dB maximalt
AGC-område: 20 dB
Brusfaktor: 1,6 dB
IIP2: +50 dBm
IIP3: 0 dBm
P1dB: –9,5 dBm
Dämpning vid 20 MHz: 2 dB
Dämpning av Tx-bandet: 96 dB

Med hänsyn till det effektiva brusbidraget från RF-ingången måste det maximalt tillåtna bruset på rund av LTM9004 vara –142,2 dBm/Hz. Typiskt ingångsbrus för LTM9004 är –148,3 dBm/Hz vilket kan översättas till en systemkänslighet av –116,7 dBm.
Typiskt kan en sådan mottagare dra nytta av viss DSP-filtrering av den digitaliserade signalen efter A/D-omvandlaren.
Låt oss i det här fallet anta att DSP-filtret är ett 64-tappars RRC-lågpassfilter med alfa = 0,22. För att arbeta nära en störande signal i grannkanalen måste mottagaren ha tillräcklig dynamik vid maximal känslighet.
UMTS-specifikationen anger en maximal grannkanalinterferens av -73 dBm. Observera att ingångsnivån för 1 dBFS inom MF-passbandet (IF) för LTM9004 är –15,1 dBm för en modulerad signal med 10 dB crest factor. På ingången av LTM9004 uppgår den till –53 dBm, eller en digitaliserad signalnivå  –2,6 dBFS.
Med AGC (automatisk förstärkningskontroll av RF-signalen) satt till maximal förstärkning måste mottagaren kunna demodulera den starkast förväntade signalen från en handapparat . Detta krav betyder att i slutänden måste LTM9004 vara anpassad för -1 dBFS eller mindre. De minimala förlusterna vid överföringen anger specifikationen till 53 dB, vilka förutsätter en effekt från handenheten på +28 dBm. Den maximala nivån på mottagarens ingång blir då -25 dBm på mottagaringången. Detta motsvarar ett toppvärde av -14,6 dBFS.
Det finns flera detaljer om signalblockering i UMTS-specifikationen.  Bara en viss specificerad mängd av känslighetsnedsättning tillåts då dessa signaler förekommer – känslighetsspecifikationen säger -115 dBm. Den första av dessa är en grannkanal 5 MHz bort, med -42 dBm nivå. Nivån på den digitaliserade signalen är -116 dBFS topp. Den efterföljande signalbehandlingen lägger till ytterligare 51 dB dämpning, så denna signal är ekvivalent med en interfererande signal av -93 dBm på mottagaringången. Detta resulterar i en känslighet av -112,8 dBm.
Mottagaren måste också brottas med en interfererande signal av -35 dBm på en kanal  ≤10 MHz bort. µModule-mottagaren kommer att undertrycka mellanfrekvenssignalen till en ekvivalent digitaliserad signal av -6,6 dBFS topp. Med efterföljande signalbehandling uppgår den till -89,5 dBm på mottagarens ingång och den resulterande känsligheten är -109,2 dBm.
Man måste också ta hänsyn till utombands-blockering, men dessa ligger på samma nivå som inombands-blockering, vilket vi redan har gått igenom.
I alla dessa fall ligger den typiska innivån för –1 dBFS hos LTM9004 väl över den maximalt accepterade signalnivåer.
Observera att crest-faktorn för modulerade kanaler kommer att ligga i storleksordningen 10 – 12 dB så den högsta av dessa kommer att nå toppnivåer på ungefär –6,5 dBFS på utgången av LTM9004.
Den högsta blockeringssignalen är CW-tonen på –15 dBm ≤20 MHz utanför mottagarens bandgränser. Mottagaringången undertrycker denna ton med 37 dB, så den kommer att på ingången av LTM9004 ligga på -32 dBm.
Åter gäller att en signal på denna nivå inte får sätta ned känsligheten på basbandet av µModule-mottagaren.  Den ekvivalenta digitaliserade nivån är bara -41,6 dBFS topp, så den har ingen effekt på känsligheten.
En annan källa till oönskad signaleffekt är läckage från sändaren. eftersom detta är en FDD-tillämpning kommer mottagaren att vara kopplad till en sändare som arbetar samtidigt. Sändarnivån antas vara ≤(+38 dBm) med en isolation mellan sändare och mottagare av 95 dB. Den läcksignal som kommer in på ingången till LTM9004 kommer då att ligga på -31,5 dBm med en offset från mottagarsignalen av minst 130 MHz. Den ekvivalenta digitaliserade nivån är bara -76,6 dBFS topp, så det förekommer ingen känslighetsnedsättning.
En utmaning hos arkitekturen för direktblandade mottagare är andra ordningens linjäritet. Otillräcklig sådan gör att varje signal, önskad eller oönskad skapar en DC-offset eller ett pseudo-slumpartat brus på basbandet.  den blockeringssignal som angetts ovan kommer då att sänka känsligheten om dessa pseudo-slumpartade  brus närmar sig mottagarens brusnivå. Systemspecifikationen tillåter i vart fall en känslighetsnedsättning vid närvaro av dessa blockerare. Systemspecifikationen säger att en blockerande kanal på -35 dBm kan degradera känsligheten med -105 dBm. Som vi har sett ovan utgör en störning på -15 dBm vid mottagaringången. Andra ordningens distorsionsprodukt som alstras av ingången på LTM9004 ligger 16 dB under det termiska bruset och den resulterade förutsägbara känsligheten är -116 dBm.
Blockeringssignalen (CW) på -15 dBm ger också upphov till  en andra ordningens produkt. I detta fall är produkten en DC-offset. Denna är icke-önskad eftersom den minskar den maximala signal som A/D-omvandlaren kan ta hand om. Det enda säkra sättet att lindra effekterna av DC-offset är att se till att andra ordningens linjäritet  hos basbandets µModule-mottagare är tillräckligt hög. Predikterad DC-offset på grund av denna signal är <1 mV vid A/D-omvandlarens ingång.
Observera att sändarens läckning inte ingår i system specifikationen , så känslighetsnedsättningen på grund av denna signal måste hållas på ett minimum.
Sändarutgången förutsätts ge ≤(+38 dBm) med en isolation mellan sändare och mottagare på 95 dB. Den andra ordningens distorsion som genereras i LTM9004 är sådan att känslighetsförlusterna är <0,1 dB.
Det finns bara ett krav för tredje ordningens linjäritet i specifikationen. När två signaler interfererar får inte känsligheten bli sämre än -115 dBm. De interfererande signalerna består av en CW-signal och en WCDMA-kanal, var och en med nivån -48 dBm. Dessa uppträder på ingången till LTM9004 var och en med nivån -28 dBm.
Dessa frekvenser ligger 10 och 20 MHz från önskad kanal, så tredje ordningens intermodulationsprodukter faller på basbandet. Åter uppträder denna produkt som ett pseudo-slumpartat brus vilket alltså reducerar signal/brusförhållandet. Den tredje ordningens distorsionsprodukt som bildas i LTM9004 ungefär 20 dB under det termiska brusgolvet och den predikterade känslighetsnedsättningen är <0,1 dB.

Uppmätta prestanda
Genom att använda det kretskortet för utvärdering som visas i fig 2 uppnådde LTM9004-AC de utmärkta resultat som visas i fig 3 och 4.

Fig 2. Det krävs ett minimum av yttre kretsar för att bygga en komplett mottagare.

Fig 3. FFT för en ton.

Fig 4. Basbandets frekvenssvar.

Instrumentuppsättningen bestod av två Rohde & Schwarz SMA 100A signalgeneratorer för RF och LO, en Rohde & Schwarz SMY 01 generator för A/Domvandlarens klocka och TTE in-line filtren.
LTM9004-AC drar totalt 1,83 W från 5 V och 3 V matningar. Bland AC-prestanda  kan nämnas SNR = 72 dB/9,42 MHz och SFDR = 66 dB.

Passar för UMTS-basstationer
LTM9004 har de höga prestanda som behövs för att användas i UMTS-basstationer. Ändå tillåter det lilla, högintegrerade formatet kompakta konstruktioner. Genom att tillämpa SiP-teknik kan µModule-mottagaren dra nytta av komponenter som är tillverkade i optimala processer  (SiGe, CMOS) och innehålla element för passiva filter.

Filed under: Byggsatt