All'inizio degli anni 2000 la repentina diffusione dei telefoni cellulari fornisce un impulso senza precedenti allo sviluppo dei sistemi radio, con enfasi ai sistemi personali e portatili. Improvvisamente si assiste ad una richiesta crescente di sistemi che consentano di scambiare dati ad alta velocità e senza bisogno di cavi, realizzati in modo compatto e portatile. Nascono quindi standard e applicazioni che diventeranno comuni negli anni a seguire, come il Bluetooth, per le comunicazioni portatili a basso consumo, e il WiFi, per distribuire la connessione internet all'interno di case e uffici. In questo contesto, la concessione da parte della Federal Communications Commission (FCC) americana, nel 2002, di un'ampia porzione dello spettro delle frequenze, da 3.1 a 10.6GHz, per l'uso senza licenza è immediatamente vista come una opportunità imperdibile per sviluppare sistemi di comunicazione a larga banda. Questi nuovi sistemi devono consentire la trasmissione dati ad altissima velocità per realizzare applicazioni quali, ad esempio, una versione senza fili delle interfacce Universal Serial Bus (USB), che all'epoca stavano cominciando a diventare lo standard per il collegamento tra periferiche e computer e sarebbero poi divenute onnipresenti nei sistemi elettronici. Nascono così i sistemi a banda ultra larga (ultra-wide band, UWB).
In ogni sistema di ricezione radio è necessario un amplificatore a basso rumore (low-noise amplifier, LNA), che amplifichi il segnale ricevuto dall'antenna introducendo il minimo rumore elettronico aggiuntivo possibile. Questo blocco circuitale determina il minimo segnale ricevibile dal sistema di comunicazione. Nello sviluppo dei ricevitori UWB si pone quindi il problema di realizzare l'amplificatore a basso rumore. Nonostante amplificatori a basso rumore ad alte prestazioni fossero già disponibili per i sistemi cellulari, nonché per i citati Bluetooth e WiFi, i ricevitori UWB presentano la sfida della banda ultra larga da 3.1 a 10.6GHz. Al contrario, i sistemi già presenti all'inizio degli anni 2000 operano tutti su bande notevolmente più strette, al più di qualche centinaio di MHz. Realizzare un LNA per UWB richiede quindi di ampliare l'intervallo di frequenze di lavoro di un ordine di grandezza circa. La rapida espansione del mercato degli apparati radio richiede inoltre che i nuovi sistemi siano realizzati in tecnologia CMOS, in modo che funzioni analogiche (amplificazione, modulazione/demodulazione, ecc.) ed elaborazione digitale possano coesistere nello stesso microchip. La tecnologia CMOS è ottimale per lo sviluppo di sistemi digitali. Tuttavia, si presta meno alla realizzazione di circuiti analogici ad alta frequenza. Il transistor MOS ha infatti delle limitazioni intrinseche rispetto, ad esempio, al dispositivo bipolare, sia in termini di efficienza che di velocità. Questo pone una ulteriore sfida alla realizzazione di un amplificatore a basso rumore UWB.
Il primo amplificatore a basso rumore al mondo per ricevitori UWB (Fig.1) viene realizzato nel 2003 dall'Università di Padova in collaborazione con l'Università di California a Berkeley (USA). Il circuito si basa su una tecnica innovativa, che utilizza un filtro di Chebyshev multi-sezione per espandere l'intervallo di frequenza in cui l'impedenza di ingresso dell'amplificatore è pari all'impedenza caratteristica dell'antenna, ovvero 50Ω. L'impedenza di ingresso di uno stadio a source comune con retroazione locale al source di tipo induttivo, comunemente usata negli LNA per sistemi a banda stretta, è assorbita in un filtro passivo a scala a tre sezioni, che viene progettato secondo il prototipo di risposta in frequenza di Chebyshev. La porzione attiva del circuito si comporta sostanzialmente come un amplificatore di corrente, con un guadagno che diminuisce, in modo inversamente proporzionale, all'aumentare della frequenza. Una impedenza di carico costituita dalla combinazione serie di un induttore e di un resistore equalizza la risposta in frequenza intrinseca dello stadio attivo, rendendo il guadagno complessivo costante nella banda passante del circuito. Nel primo prototipo realizzato, uno stadio di uscita a drain comune viene utilizzato come buffer per pilotare gli strumenti di misura e consentire la verifica sperimentale delle prestazioni dell'amplificatore progettato. Nel complesso, l'amplificatore, realizzato con una tecnologia CMOS con geometria minima di 0.18μm, presenta un guadagno in tensione di circa 15dB su di una banda passante estremamente ampia (7.5GHz), consumando solo 9mW di potenza.
Fig. 1: Foto del microchip del primo amplificatore a basso rumore al mondo per ricevitori UWB
Il primo LNA per ricevitori UWB realizzato in tecnologia CMOS viene presentato alla prestigiosa International Solid-State Circuits Conference a San Francisco (USA) [1] nel 2004 e, successivamente, pubblicato in forma estesa sulla rivista IEEE Journal of Solid-State Circuits [2]. Il circuito originale viene poi utilizzato, rivisto e riproposto da vari autori, sia in campo accademico che industriale, aggiungendo funzionalità o adattando il circuito a contesti specifici. Il lavoro originale [1], [2] riceve più di un migliaio di citazioni nella letteratura scientifica. Verso la fine degli anni 2000 il mercato dei ricetrasmettitori UWB come equivalenti senza fili dei collegamenti USB non è ancora decollato. Rapidamente questa tecnologia viene archiviata e non raggiunge mai il vasto pubblico. Tuttavia, le idee sviluppate per l'amplificatore a basso rumore a banda ultra larga trovano applicazione in altri ambiti, come i sistemi multi standard, le radio ad impulsi per applicazioni all'Internet of Things (IoT), o i radar ad alta risoluzione. Ad oggi, vengono utilizzate nello sviluppo dei ricevitori per sistemi cellulari di quinta generazione (5G) alle onde millimetriche e, in prospettiva, per la realizzazione di sistemi cellulari di sesta generazione (6G) e circuiti operanti alle frequenze prossime al THz.
Riferimenti bibliografici
[1] A. Bevilacqua, and A. M. Niknejad, “An Ultra Wideband CMOS Low Noise Amplifier for 3.1-10.6 GHz Wireless Receivers”, in IEEE ISSCC Digest of Technical Papers, Feb. 2004, pp. 382-383.
[2] A. Bevilacqua, and A. M. Niknejad, “An ultrawideband CMOS low-noise amplifier for 3.1-10.6-GHz wireless receivers.”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 39, pp. 2259-2268, 2004.
